董妍|强涛|王南芳|邓继勇
湖南省环境催化与废弃物回收重点实验室，湖南工程学院材料与化学工程学院，湘潭市，411104，中国
摘要
为了解决易燃棉纤维易引发火灾的问题，我们合成了一种基于含硫蛋白质的磷酸铵阻燃剂（NP-DB）。X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实NP-DB成功接枝到了棉织物上。在含有30%质量浓度的阻燃剂处理条件下，处理后的织物的极限氧指数（LOI）为38.4%；经过50次洗涤循环后，LOI仍保持在27.6%，表明阻燃性能具有优异的耐久性。热重分析（TGA）和TGA结合傅里叶变换红外光谱（TG-FTIR）显示，NP-DB的引入改变了棉纤维的热分解机制，显著增加了炭化残渣。锥形量热仪测试表明，阻燃棉织物的总热释放量（THR）为0.4 MJ/m²，远低于纯棉织物的3.4 MJ/m²；纯棉织物的峰值热释放率（PHRR）达到186.8 kW/m²，而处理后的样品仅为12.1 kW/m²，进一步证明了NP-DB带来的卓越防火性能。这些发现表明，基于含硫蛋白质的阻燃剂（NP-DB）在阻燃纺织品领域具有广阔的应用前景。
引言
作为可再生资源，棉纤维因其出色的柔软性、吸湿性、亲肤性和透气性，在纺织工业中发挥着重要作用[1]、[2]。随着市场对天然纤维纺织品需求的持续增长，棉纤维在服装和家居装饰等领域的应用也在稳步增加。随着生活水平的提高，公众对健康和安全的关注度日益增强，对日常穿着和家用装饰棉织物的质量要求也随之提高，从而提升了安全性能的要求。然而，棉纤维的极限氧指数（LOI）仅为18.6%，属于易燃材料，极易引发严重火灾[3]、[4]。这一燃烧特性极大地限制了其应用范围；因此，采用阻燃处理技术来改性棉纤维已成为确保其安全性的关键措施[5]、[6]。
传统的棉纤维阻燃剂主要使用含卤素化合物；然而，这些化合物在热分解过程中会释放有毒气体，并具有致癌风险。因此，许多国家已经禁止或逐步淘汰了含卤素阻燃剂的使用[7]。基于磷的阻燃剂因其优异的阻燃效果和低毒性而得到广泛应用。目前，研究重点是无卤素的氮-磷（N-P）阻燃剂[8]、[9]。特别是两种广泛使用的棉纤维阻燃剂（Proban和Pyrovatex CP）虽然具有优异的阻燃性能，但在使用过程中会释放甲醛等有害物质，对健康和环境造成严重威胁[10]。因此，开发新型、高效且环保的无卤素棉纤维阻燃剂具有重要的科学意义。研究表明，在N-P基阻燃剂中加入额外的阻燃元素可以显著提高基材的阻燃性能[11]、[12]、[13]、[14]。在燃烧过程中，硫通过气相和凝聚相机制协同发挥阻燃作用。大多数研究人员使用含硫阻燃剂来提高环氧树脂、聚乳酸和聚氨酯等聚合物的阻燃性能[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。证据表明，在典型的N-P阻燃剂的复杂分子结构中添加硫可以显著增强其阻燃性能。
一般来说，设计合理、合成良好的阻燃剂具有较高的棉织物相容性和良好的阻燃效率，通常能够实现优异的阻燃效果[21]、[22]、[23]。鉴于生物质材料是环保且成本效益高的阻燃剂来源，开发高效且环保的生物质衍生阻燃剂是一个可行且具有前景的研究方向[24]、[25]、[26]。一些研究人员提出从植物、蛋白质和其他自然资源中提取各种环保生物质大分子，构建绿色环保的阻燃体系，从而生产阻燃棉织物[27]、[28]、[29]、[30]。牛血清白蛋白（BSA）是一种在生物化学实验室中广泛使用的蛋白质，具有许多优点，包括优异的生物相容性、生物降解性、易于表面功能化和高水溶性。这些特性使其在生物化学研究、基因工程、药物开发、膳食补充剂和调味剂等领域得到广泛应用[31]、[32]、[33]、[34]。迄今为止，关于牛血清白蛋白的学术研究主要集中在其药用价值上，而较少关注其本身含有硫（S）元素的事实。实际上，完全有可能将其合成一种新型的、环保的阻燃剂，其中包含氮（N）、磷（P）和硫（S），从而将其应用扩展到棉织物等领域。
在我们的初步研究中，我们成功将磷酸铵活性基团引入半胱氨酸的分子结构中，合成了一种新的棉纤维用阻燃剂。这种阻燃剂与棉纤维形成了共价P(=O)-O-C键，赋予棉织物优异的阻燃性能和出色的耐久性。本研究进一步探讨了以蛋白质为原料合成高效棉纤维阻燃剂的可行性，并系统分析了新型基于含硫蛋白质的磷酸铵阻燃剂（NP-DB）的热稳定性和阻燃性能。通过XPS、拉曼光谱和TG-IR等多种表征方法，深入了解了阻燃机制。最后，根据实验结果，讨论了NP-DB在凝聚相和气相中的阻燃机制，为其应用提供了理论依据。
材料
纯棉织物（140.72 g/m²）经过退浆、精练和漂白处理，由中国湘潭市布料市场提供。牛血清白蛋白（BSA）购自上海豫源生物科技有限公司。膦酸和尿素由上海阿拉丁试剂有限公司（中国）提供。无水乙醇由湖南汇鸿试剂有限公司（中国）提供。二氰二胺购自赛恩化学技术有限公司（中国）；甲醇和37.0%...
NP-DB和棉织物的表征
图2a显示了NP-DB阻燃剂、对照棉织物以及处理后棉织物的傅里叶变换红外（FTIR）光谱。光谱分析显示，与-OH官能团相关的伸缩振动峰位于3424 cm⁻¹[35]，而-COOH官能团的伸缩振动峰位于1638 cm⁻¹[36]。检测到铵离子（NH₄⁺）的伸缩和弯曲振动对应的吸收峰...
结论
本研究报道了一种基于含硫蛋白质的磷酸铵阻燃剂（NP-DB）的合成。阻燃处理研究表明，NP-DB可以通过P(=O)-O-C键与纤维素纤维共价结合，在纤维表面形成均匀的阻燃保护层。当阻燃剂浓度达到30%时，处理后样品的LOI增加到38.4%，燃烧长度缩短至5.1 cm，显示出优异的阻燃效果
CRediT作者贡献声明
董妍：撰写——初稿、验证、资源准备、方法学设计、实验实施、资金获取、数据分析。强涛：撰写——审稿与编辑、数据分析、数据管理。王南芳：撰写——审稿与编辑、数据分析、数据管理。邓继勇：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、实验指导、方法学设计、资金获取、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的经济利益冲突或个人关系，并同意提交给您的期刊。
致谢
作者感谢湖南省自然科学基金（项目编号：2025JJ50738）和湖南工程学院人才科学研究基金项目（项目编号：09001003）的支持。
