北京化工大学吴战鹏教授团队等：高磷氮磷腈聚合物阻燃改性棉纤维织物的制备及性能研究

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棉纤维织物是人类日常生活和生产中常用的织物材料，具有洁白、透气和舒适等诸多优点。但棉纤维织物本身高度易燃，这阻碍了其实际应用并给人类的生产生活带来了潜在威胁。表面改性技术能有效提升棉纤维织物的阻燃性能，但目前应用于表面改性技术的阻燃剂普遍存在阻燃效率低（改性后棉纤维增重偏大）、不耐水洗以及对棉纤维的本征性能影响较大等缺点。因此，寻找一类新型的绿色高效且具有一定耐水洗性能的表面改性阻燃剂是棉纤维织物阻燃领域的技术关键点。聚磷腈是一类新型无机-有机杂化高分子材料，其主链的“P-N”结构使其能够具有与生俱来的阻燃特性，加之其高分子特性和其它诸多结构和性能特点使其能够作为新型表面改性阻燃剂并极具实际应用潜力。

为了获得综合性能优异的阻燃棉纤维织物材料，北京化工大学材料学院吴战鹏教授团队通过对聚磷腈化学结构的设计，合成了高磷氮含量（理论磷含量29.0%，氮含量13.1%）的聚甲氧基磷腈弹性体材料，利用其在有机溶剂中的溶解性，采用一步浸渍的方式将其涂覆到了棉纤维织物的表面，作为其阻燃改性的表面涂层。得到的阻燃纤维织物材料（cotton-PDMP）具有高效率、绿色环保（无卤素）和制备工艺简易等优点，在磷腈涂覆量为5.3 wt%时即能够实现垂直燃烧测试的自熄特性且极限氧指数（LOI）高达26.7，同时由于较低的涂覆量和聚甲氧基磷腈成膜后的弹性和透明性等特点，改性后棉布的本征性能（例如：白度、透气性和柔顺性）得到了较大幅度的保留。因此聚甲氧基磷腈弹性体是棉纤维织物阻燃改性的理想阻燃剂和解决方案。

图1 聚甲氧基磷腈改性棉纤维织物的制备过程示意图

在涂层的厚度方面，由于聚甲氧基磷腈和棉纤维之间具有良好的亲和能力，这使其能够直接通过调整浸渍溶液浓度的方式来获得不同增重和涂层厚度的改性棉纤维材料，此外阻燃涂层的在纤维表面的分布均匀性也得到了保障，涂覆量为10.9 wt%时对应的涂层厚度仅为20~40nm。

图2 Cotton-PDMP-10.9%的涂层厚度（左）和不同浸渍浓度下的涂层增重变化趋势（右）

进一步对聚甲氧基磷腈改性后的棉纤维织物（选用的改性棉纤维为增重9.7 wt%的样品）进行耐水洗性能的测试，实验结果表明，在经过50次水洗测试之后阻燃涂层的重量得到了较大幅度的保留（80%），同时水洗后的改性棉纤维材料依然能够具有垂直燃烧测试的自熄特性和较高的极限氧指数（28.6），说明聚甲氧基磷腈改性的棉纤维织物具有良好的耐水洗特性，同时优异的综合性能使其具备较高的实际应用价值。

图3 Cotton-PDMP-9.7%在水洗50次后的VFT测试过程（A），不同水洗次数下的涂层质量变化（B），不同水洗次数下的极限氧指数LOI变化（C）

以上相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 27, 32094–32105)上。论文的第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院博士生苗振威，通讯作者为北京化工大学吴战鹏教授，共同通讯作者为北京师范大学闫东鹏教授与北京交通大学张腾教授。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c05884

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