棉织物的易燃性是引发室内等公共场所火灾的主要原因之一，对其进行阻燃处理具有重要的科学意义与应用价值。然而，现有的棉织物阻燃方法受到环境友好性和耐久性的严重限制。一方面使用含甲醛的传统卤素/磷阻燃后整理剂（如商用PyrovatexCP^®）会引起严重的环境问题；另一方面，阻燃棉织物的阻燃性能会随着洗涤过程而迅速丧失。如何实现棉织物的环境友好耐久阻燃已成为该领域亟待解决的难题。

  四川大学王玉忠院士团队受传统织物染整固色工艺启发，设计了一类既不含Cl、Br、P等传统阻燃元素，也不使用有毒有机溶剂的新型环保生物质基阻燃剂，赋予棉织物耐久阻燃性能。在该阻燃剂涂层（TC）中，生物质单宁（TA）作为成炭剂，以水为溶剂，通过类似染料的固色作用被吐酒石（TE）稳定固定在棉织物的纤维表面，进一步络合Fe²⁺离子，保证涂层的耐久阻燃性能（图1）。在织物遇火燃烧时，Fe²⁺离子将迅速催化TA交联炭化，在基材骨架表面形成隔氧绝热的石墨化炭层，达到阻燃目的。所得织物经过100次洗涤或摩擦循环后，仍能维持良好的阻燃性能。

图1. 耐久阻燃涂层的构建以及涂层组份之间相互作用示意图

  与织物染料固定作用类似，TC涂层组分与棉织物间的氢键和配位协同作用确保处理后阻燃棉织物的耐水洗性和摩擦耐久性。扫描电镜、X射线能谱分析以及激光共聚焦显微镜测试结果表明，该阻燃涂层与棉纤维之间具有足够的结合力，使得涂层在长期洗涤和摩擦过程中能够保持其原有的形态和组成。经过100次模拟洗涤/摩擦循环后，阻燃织物的极限氧指数值（LOI）仍稳定在较高值，且以极低的损毁蔓延速度通过水平燃烧测试。在热辐射功率为35 kw/m²锥形量热测试中，阻燃织物的峰值热释放速率（PHRR）从173.1 kW/m²降低至125.6 kW/m²；经100次洗涤之后，其PHRR仍能维持在139.3 kW/m²；而在50 kw/m²的热辐射功率下，阻燃棉织物的PHRR可下降约50%，说明更高的热辐射利于金属催化TA形成隔热炭层，发挥阻燃作用。此外，该阻燃涂层可通过改变金属离子种类，调控织物阻燃性能。例如，使用Co²⁺/Zn²⁺进行络合时，所得棉织物在经过20次模拟洗涤之后，LOI仍高达30%以上，且通过垂直燃烧测试。该不含Cl、Br、P等传统阻燃元素的耐久阻燃涂层能有效降低棉织物在长期使用过程中的火灾危险。

图2. 经不同次数模拟洗涤后涂层棉织物的水平燃烧行为及锥形量热测试（35 kw/m²）中热释放速率曲线

  研究者进一步阐明了该涂层的阻燃作用机制。通过热重分析，发现该涂层可减缓棉织物在高温下的分解速率，并且促进棉织物形成更多的残炭。扫描电子显微镜（SEM）和拉曼（Raman）测试表明阻燃织物纤维在燃烧后表面被粗厚且致密的炭层所覆盖，该炭层为具有较小I_D/I_G值的石墨化炭（图3）。结合热重-红外联用（TG-IR）结果，发现该涂层形成的炭化物可有效减少棉织物在受热时产生的可燃挥发性产物，减少材料燃烧时反馈至火焰区的“燃料”（图4）。综合多种测试手段分析，TC涂层受热时，其中TA在金属离子催化作用下转变成大尺寸的石墨化热稳定炭层，聚集结块并覆盖在纤维表面，构成热稳定的屏障，有效阻止热量、氧气和易燃挥发物的传递，从而起到阻燃作用。

图3. 锥形量热测试后纯棉织物（a1, a2, a3）和阻燃棉织物（b1, b2, b3）的残炭数码照片、SEM图片和Raman测试曲线

图4. 纯棉织物和阻燃棉织物的热重-红外联用测试结果

  该成果发表在Chemical Engineering Journal（DOI10.1016/j.cej.2020.128361）上。论文的第一作者为四川大学博士生张爱泞，通讯作者为赵海波教授和王玉忠院士。该不含传统阻燃元素的耐久阻燃棉织物可通过OEKO-TEX^®生态纺织品标准，具有很好的应用前景，也为制备绿色环保的耐久阻燃织物提供了新的思路。

  论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720344739