棉纖維織物是人類日常生活和生產(chǎn)中常用的織物材料，具有潔白、透氣和舒適等諸多優(yōu)點。但棉纖維織物本身高度易燃，這阻礙了其實際應(yīng)用并給人類的生產(chǎn)生活帶來了潛在威脅。表面改性技術(shù)能有效提升棉纖維織物的阻燃性能，但目前應(yīng)用于表面改性技術(shù)的阻燃劑普遍存在阻燃效率低（改性后棉纖維增重偏大）、不耐水洗以及對棉纖維的本征性能影響較大等缺點。因此，尋找一類新型的綠色高效且具有一定耐水洗性能的表面改性阻燃劑是棉纖維織物阻燃領(lǐng)域的技術(shù)關(guān)鍵點。聚磷腈是一類新型無機-有機雜化高分子材料，其主鏈的“P-N”結(jié)構(gòu)使其能夠具有與生俱來的阻燃特性，加之其高分子特性和其它諸多結(jié)構(gòu)和性能特點使其能夠作為新型表面改性阻燃劑并極具實際應(yīng)用潛力。
為了獲得綜合性能優(yōu)異的阻燃棉纖維織物材料，北京化工大學(xué)材料學(xué)院吳戰(zhàn)鵬教授團隊通過對聚磷腈化學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，合成了高磷氮含量（理論磷含量29.0%，氮含量13.1%）的聚甲氧基磷腈彈性體材料，利用其在有機溶劑中的溶解性，采用一步浸漬的方式將其涂覆到了棉纖維織物的表面，作為其阻燃改性的表面涂層。得到的阻燃纖維織物材料（cotton-PDMP）具有高效率、綠色環(huán)保（無鹵素）和制備工藝簡易等優(yōu)點，在磷腈涂覆量為5.3 wt%時即能夠?qū)崿F(xiàn)垂直燃燒測試的自熄特性且極限氧指數(shù)（LOI）高達26.7，同時由于較低的涂覆量和聚甲氧基磷腈成膜后的彈性和透明性等特點，改性后棉布的本征性能（例如：白度、透氣性和柔順性）得到了較大幅度的保留。因此聚甲氧基磷腈彈性體是棉纖維織物阻燃改性的理想阻燃劑和解決方案。
圖1 聚甲氧基磷腈改性棉纖維織物的制備過程示意圖
在涂層的厚度方面，由于聚甲氧基磷腈和棉纖維之間具有良好的親和能力，這使其能夠直接通過調(diào)整浸漬溶液濃度的方式來獲得不同增重和涂層厚度的改性棉纖維材料，此外阻燃涂層的在纖維表面的分布均勻性也得到了保障，涂覆量為10.9 wt%時對應(yīng)的涂層厚度僅為20~40nm。
圖2 Cotton-PDMP-10.9%的涂層厚度（左）和不同浸漬濃度下的涂層增重變化趨勢（右）
進一步對聚甲氧基磷腈改性后的棉纖維織物（選用的改性棉纖維為增重9.7 wt%的樣品）進行耐水洗性能的測試，實驗結(jié)果表明，在經(jīng)過50次水洗測試之后阻燃涂層的重量得到了較大幅度的保留（80%），同時水洗后的改性棉纖維材料依然能夠具有垂直燃燒測試的自熄特性和較高的極限氧指數(shù)（28.6），說明聚甲氧基磷腈改性的棉纖維織物具有良好的耐水洗特性，同時優(yōu)異的綜合性能使其具備較高的實際應(yīng)用價值。
圖3 Cotton-PDMP-9.7%在水洗50次后的VFT測試過程（A），不同水洗次數(shù)下的涂層質(zhì)量變化（B），不同水洗次數(shù)下的極限氧指數(shù)LOI變化（C）
以上相關(guān)成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 27, 32094–32105)上。論文的第一作者為北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生苗振威，通訊作者為北京化工大學(xué)吳戰(zhàn)鵬教授，共同通訊作者為北京師范大學(xué)閆東鵬教授與北京交通大學(xué)張騰教授。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c05884
