凝聚相的协同阻燃性能：掺硅碳量子点和硫酸钠改性的聚酯纤维的性能与机理

时间：2026年1月25日

来源：International Journal of Biological Macromolecules

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通过硅掺杂碳量子点（Si-CQDs）与钠木素磺酸盐（Sodi）协同作用，采用溶液浸渍法增强聚酯纤维（POLY）阻燃性能。实验表明，8% Si-CQDs/Sodi复合材料的LOI达28%，UL-94评级为V-0，热释放速率（HRR）降低46%，总热释放量（THR）减少18%，残留碳量提升至30%，证实了纳米碳-硅-生物质三元协同阻燃机制。该研究提出绿色高效阻燃策略，拓展了生物质废弃物高值化应用场景。

任洪伟|张小龙|吕照义|李从远|张金凤

河北科技大学环境科学与工程学院，中国河北省石家庄市，050018

摘要

聚酯纤维（POLY）材料由于其含有碳氢化合物和高热量释放特性而极易燃烧。尽管基于木质素的阻燃剂——磺化钠（Sodi）因其可再生性和低毒性而具有吸引力，但其应用受到在POLY中分散性差以及形成的炭层脆弱多孔的限制。碳量子点（CQDs）可以促进Sodi在POLY中的兼容性并促进其碳化过程。在本研究中，采用甘油、甜菜碱和正硅酸四乙酯为原料，通过水热法合成了掺硅的碳量子点（Si-CQDs）。通过溶液浸渍法将Sodi与Si-CQDs结合加载到POLY中，制备得到Si-CQDs/Sodi@POLY复合材料。对Si-CQDs/Sodi@POLY复合材料进行了物理化学表征和阻燃性能测试。结果表明，Si-CQDs与Sodi具有优异的相容性。含有Si-CQDs/Sodi的POLY材料的极限氧指数达到了28%，获得了UL-94 V-0等级。添加8% Si-CQDs/Sodi溶液的样品，其热释放率（HRR）和总热释放（THR）分别降低了46%和18%。残余碳的分析进一步阐明了其阻燃机制。本研究不仅实现了废弃生物质的新型高价值利用，还提出了一种绿色、高效且经济的阻燃方法，具有在防护服装、车辆内饰等相关领域的广泛应用前景。

引言

聚酯纤维（POLY）具有良好的机械性能、耐腐蚀性和使用寿命，广泛应用于纺织服装、包装、建筑和汽车内饰等领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，POLY在遇到火源时容易与熔融滴液发生燃烧，从而增加火灾风险，因此提高POLY材料的阻燃性能具有重要意义[6]、[7]、[8]、[9]。木质素（Lign）具有可再生性、低毒性和低成本阻燃性，这主要归功于其丰富的芳香醇结构[10]、[11]、[12]。然而，其不溶于水的特性限制了其工业应用。相比之下，水溶性的磺化钠（Sodi）能够有效赋予织物阻燃性能[13]、[14]、[15]。Sodi保留了木质素的苯丙烷骨架（炭的碳源），并引入了亲水性磺酸基团，从而提高了燃烧过程中的炭稳定性[16]、[17]、[18]、[19]。Mukta Nitin Mirlekar等人使用基于生物的磷酸化磺化钠（Sodi）来增强聚酯的阻燃性能，其复杂的结构提供了燃烧前的稳定性。磷酸基团的释放和酯化作用促进了脱水与炭化过程，抑制了可燃挥发物的生成[20]。Guo等人将Sodi和Gu²⁺与改性纤维结合，形成了一种膨胀型阻燃体系，该体系在燃烧过程中形成连续的炭化层，显著抑制了热量和挥发物的传递[21]。碳量子点（CQDs）是富含表面氧基团（-COOH、-OH、C= double bond

O）的纳米颗粒，能够在燃烧初期催化聚合物的脱水和交联，形成致密稳定的炭层[22]、[23]、[24]。Liu等人将CQDs掺入聚苯乙烯中，提高了材料的耐热性和炭层稳定性[25]。Yu将N,P-CDs加入PVA薄膜中：N释放氨气稀释氧气（气相），而P促进脱水炭化（凝聚相），实现了双相阻燃效果[26]。在大多数情况下，CQDs的功能化掺杂对其阻燃应用至关重要[27]、[28]、[29]、[30]。基于硅的阻燃剂通过在材料表面形成物理热屏障（以凝聚相碳为主导机制），实现高效且环保的阻燃效果[31]、[32]。基于硅的阻燃剂还可以与磷、氮和金属氢氧化物协同设计，进一步提高阻燃效率[33]、[34]、[35]、[36]。Hu等人通过制备P= single bond

N协同阻燃体系/SiO₂，有效增强了聚丙烯酸酯涂层的阻燃性能，该体系在气相和凝聚相中均表现出良好的阻燃效果[37]。总之，本研究创新性地构建了一种基于生物的阻燃体系，将Si-CQDs与Sodi协同使用。通过引入“纳米碳-硅-生物质”的三元协同策略，实现了POLY的高性能阻燃改性。Si-CQDs结合了硅的催化炭化优势与碳量子点的自由基淬灭/阻断作用，而Sodi凭借其天然的芳香骨架和磺酸基团，与POLY形成良好接触，实现了无卤素、低毒性的阻燃效果。

材料与仪器

材料：聚酯纤维（Jiangsu Desai Chemical Fiber Company. Ltd.）；甘油（Tianjin Yongda Chemical Reagent Company. Ltd.）；甜菜碱（Shanghai Aladdin Biochemical Technology Company.）；磺化钠（Shanghai Aladdin Biochemical Technology Company.）。上述试剂均为分析纯级别，在开启前未经任何处理。仪器：UV-6100S紫外-可见光谱仪（Shanghai Yuan Analytical Instrument Co., Ltd.），波长范围200–600 nm；Tensor 27傅里叶变换红外光谱仪（FTIR光谱仪）

TEM分析

Si-CQDs的表征结果见补充信息。制备的Si-CQDs/Sodi复合材料被溶解在无水乙醇中用于TEM测试，见图2(a)。通过TEM观察其微观形态，发现Si-CQDs/Sodi具有准球形结构且分散性良好。图2(b)中的粒径分布显示，Si-CQDs的平均直径为40.2 nm，粒径范围在7至90 nm之间。

结论

本研究将硅基碳量子点（Si-CQDs）与磺化钠（Sodi）协同使用，以增强聚酯纤维（POLY）的阻燃性能。TEM、FT-IR和XPS分析证实了Si-CQDs/Sodi及Si-CQDs/Sodi@POLY材料的成功混合。Si-CQDs/Sodi@POLY获得了UL-94 V-0等级，极限氧指数（LOI）为28%；残余碳含量从15%增加到30%。添加8%的Si-CQDs/Sodi后，POLY的热释放率（HRR）和总热释放（THR）分别降低了46%和18%。