一种环保且可重复使用的阻燃策略,用于莱赛尔(Lyocell)织物,显著提升其防火性能和机械性能

时间:2026年5月24日
来源:European Polymer Journal

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宋婉萌|徐云凯|王宝红|倪彦鹏|刘云青岛大学纺织与服装学院,功能纺织品与先进材料研究所,国家先进防火材料研发工程技术中心(山东),生物纤维与生态纺织品国家重点实验室,青岛阻燃纺织品材料重点实验室,中国青岛市266071摘要本研究旨在通过以1:1的重量比合成植酸(PA)和糯米粉(G

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宋婉萌|徐云凯|王宝红|倪彦鹏|刘云
青岛大学纺织与服装学院,功能纺织品与先进材料研究所,国家先进防火材料研发工程技术中心(山东),生物纤维与生态纺织品国家重点实验室,青岛阻燃纺织品材料重点实验室,中国青岛市266071

摘要

本研究旨在通过以1:1的重量比合成植酸(PA)和糯米粉(GR)来开发一种环保阻燃剂(PAG),从而提高莱赛尔纤维的阻燃性能。该阻燃剂通过浸渍-干燥-固化工艺应用于莱赛尔纤维上。经过优化后,确定了理想的反应条件:温度为80°C,反应时间为5小时,热定形温度为150°C。垂直燃烧测试表明,处理后的莱赛尔纤维在火焰移除后表现出自熄灭行为,未观察到余火或余辉现象。极限氧指数显著提高至30.5%。微观燃烧量热分析显示,PAG体系使峰值热释放率降低了76%。拉伸强度测试表明,处理后的莱赛尔纤维在经向和纬向的断裂强度分别保留了70.4%和72.1%。此外,透气性和手感的评估证实,处理后的莱赛尔纤维保持了良好的性能,仅空气渗透性略有下降。最后,本研究系统地研究了阻燃剂在整理浴中的可重复使用次数,凸显了其在清洁生产方面的潜力。

引言

推进阻燃整理技术对于提高防火性能至关重要[1]、[2]。为应对日益严重的生态问题,研究目标是开发基于无卤体系和可回收性的创新绿色阻燃剂和技术,这对于实现清洁生产和优异的材料生态兼容性至关重要[3]、[4]、[5]。表1。
由于莱赛尔纤维具有天然的舒适性和透气性,它不仅用于服装,还逐渐被认可为可持续的室内装饰材料,以其自然的美观性和功能性提升室内环境[6]。然而,莱赛尔纤维易燃且燃烧速度快[7]。基于磷的阻燃剂非常适合纤维素基产品[8]。目前,研究人员已经开发了多种阻燃剂,其中生物质阻燃剂越来越能满足现代发展的需求[9]。同时,浸渍-干燥-固化工艺是纺织品功能整理的常用方法[10]、[11]。李等人使用生物质材料合成了阻燃剂酪胺多磷酸酯,并将其应用于莱赛尔纤维的阻燃处理中。该合成过程环保且不使用有机溶剂。处理后的莱赛尔纤维的极限氧指数(LOI)提高到了35.8%[12]。颜等人利用植酸(PA)、L-谷氨酸和三甲基磺酰氯作为原料,在棉织物上构建了多功能涂层。处理后的棉织物LOI达到40%,并且其抗菌性能显著增强。此外,该体系还表现出优异的耐久性[13]。
目前,基于生物质的阻燃剂更符合环境可持续性和循环经济原则的要求[14]、[15]。糯米粉(GR)是一种由精细研磨的糯米制成的粉末,主要由淀粉组成,含有高比例的支链淀粉,这赋予了其优异的粘度和弹性。其独特的粘附性能和成膜能力使其成为一种优良的粘合剂,能够增强材料的强度和稳定性。在整理领域,GR因其天然和环保的特性而受到越来越多的关注。此外,GR中存在的多个羟基使其具有反应性,并有助于保持织物的柔软性和手感。这些独特的性质使GR成为纺织品整理领域的有前景的候选材料。
植酸(PA)是最有效的生物质衍生阻燃剂之一,是一种主要从种子、谷物和豆类等植物来源提取的有机磷酸化合物[16]、[17]、[18]。它以其高磷含量而闻名,其结构中约28%为磷[19]、[20]、[21]。这种独特的组成使PA能够作为一种无毒、环保的阻燃剂,在燃烧过程中促进形成保护性炭层,从而帮助减少火焰的蔓延。此外,PA因其可再生性和低环境影响而受到关注,成为传统化学阻燃剂的有希望的替代品。其高度对称的结构含有多个羟基,具有高反应性[13]、[22]、[23]。PA还表现出良好的生物相容性、环境友好性和可再生性,因此在阻燃领域得到广泛应用[24]、[25]、[26]。它可以用于提高纤维素纤维、蛋白质纤维和合成纤维的阻燃性能[10]、[27]、[28]、[29]。张等人使用PA、环氧大豆油和牛磺酸作为原料,合成了一种绿色环保的阻燃剂ESOPT,并将其应用于莱赛尔纤维的多功能整理。处理后,莱赛尔纤维的峰值热释放率(PHRR)降低了66.5%,并且莱赛尔纤维还表现出抗菌性能[30]。然而,单独使用PA时,其强酸性会在高温整理过程中对纤维素纤维的机械性能造成显著损害,大大限制了其更广泛的应用[31]。
我们假设通过将PA与GR(一种天然多糖)协同使用,可以创造出一种新型的全生物基阻燃体系。这种PAG体系具有创新性,因为GR多糖基质不仅仅是一种添加剂,而是一种通过缩合相机制起作用的活性炭形成剂。我们预计这种方法不仅能够赋予出色的阻燃性能——表现为自熄灭行为、高极限氧指数(LOI)和显著降低的热释放率——还能保持织物本身的舒适性和机械性能,为传统的石化基处理方法提供一种可持续且有效的替代方案。

章节片段

实验

实验细节见支持信息。

PAG的表征

使用FTIR、X射线光电子能谱(XPS)和热重分析(TG)技术对阻燃剂PAG进行了全面表征,结果如图1所示。XPS分析确认了PAG中存在磷。在高分辨率的P2p光谱中,133.7 eV和134.5 eV处的峰分别对应于P-O-C和O=P-O-C键,表明PA和GR之间发生了成功的反应[32]、[33]。此外,O1s光谱在530.9 eV处显示出峰

结论

在本研究中,使用PA和GR作为原料制备了一种阻燃剂PAG,并通过浸渍-干燥-固化技术制备了阻燃莱赛尔纤维。阻燃莱赛尔纤维的LOI值提高到了30.5%,表明PAG体系赋予了莱赛尔纤维阻燃性能。SEM分析显示,PAG体系没有改变莱赛尔纤维的结构特性,且PAG在莱赛尔纤维表面均匀分布。

CRediT作者贡献声明

宋婉萌:撰写——初稿、可视化、资源收集、调查、数据分析、数据整理。徐云凯:可视化、调查。王宝红:撰写——初稿、调查。倪彦鹏:撰写——审稿与编辑、监督。刘云:撰写——审稿与编辑、项目管理、资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金(项目编号:52373059)和山东省泰山学者项目(编号:tsqn202306163)的财政支持。本工作还得到了生物纤维与生态纺织品国家重点实验室青岛大学,项目编号:ZDKT202107)的部分支持。

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