江南大学付少海教授团队CEJ：在聚丙烯腈(PAN)纤维阻燃领域取得进展

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聚丙烯腈(PAN)纤维质地蓬松、手感柔软、密度小、保暖性好，具有优异的耐日晒牢度、耐候性、耐虫蛀性、耐辐射性和抗生物降解性，有“人造羊毛”的美誉，被广泛应用于室内装饰及服装、室外织物、建筑复合材料等领域。然而，PAN纤维不仅易燃，而且燃烧时会产生有害浓烟及有毒气体(HCN、CO等)，限制了其在特定领域的应用。目前，应用于PAN纤维的商业化无卤磷系阻燃添加剂(如聚磷酸铵、磷酸三苯酯等)存在用量大、阻燃效率较低、劣化PAN纤维力学性能的问题，且燃烧过程发烟量较大。因此，如何开发新型高效阻燃剂来解决PAN纤维阻燃和力学性能的矛盾成为一个具有挑战性的难题。

基于前期对PAN纤维燃烧热解行为及MoS2纳米阻燃体系的研究(Chem. Eng. J. 2019, 372: 873-885; Composites Part B 2020, 201: 108298; Composites Part B 2019, 174: 107037; Chem. Eng. J. 2020, 384: 123288; Chem. Eng. J. 2020, 397: 125410; Composites Part B 2021, 215: 108742; Composites Communications 2021, 27: 100902；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 32: 38405-38415；ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 40：47549-47559；Chem. Eng. J. 2021, 426: 131818.)，作者设计合成了一种以B-N-P为主体桥联结构的新型共价有机框架(BNPC)，将其作为高效添加型阻燃剂用于同步提升PAN纤维的阻燃、抑烟及力学性能。

图1.BNPC的合成路线及SEM形貌

BNPC的合成路线及SEM形貌如图1所示。锥形量热测试发现(图2)，添加7wt%的BNPC使PAN@BNPC-7纤维的热释放速率、烟释放量和CO产量分别降低了72.6%、67.2%和76.3%，其 LOI值达到28.2%。详细地阻燃机理分析表明(图3)，BNPC在PAN纤维初期燃烧过程通过离子引发机制促进了PAN分子链的环化反应，降低了环化活化能，提高了环化程度及环化结构的交联度，减少了环化反应不完全而引起的分子链断裂，抑制了HCN等气体及小分子挥发物的生成。随着燃烧的进行，丰富的P、B阻燃元素催化环化交联结构形成致密碳层覆盖在纤维表面，隔绝外部热量及氧气，防止纤维进一步燃烧裂解，从而达到阻燃抑烟效果。

图2.不同PAN@BNPC复合纤维的阻燃性能

图3.阻燃机理示意图

该研究成果以“B-N-P-linked covalent organic frameworks for efficient flame retarding and toxic smoke suppression of polyacrylonitrile composite fiber”为题发表于Chemical Engineering Journal。论文第一作者为江南大学纺织科学与工程学院彭虹云博士(研究方向为MoS₂基高性能复合纤维及环境能量转换材料)，通讯作者为王冬助理研究员和付少海教授。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721046969

通讯作者介绍

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付少海 教授、博士生导师，现任职于江南大学纺织科学与工程学院院长兼江苏省纺织品数字喷墨印花工程技术研究中心主任。同时，担任《Coloration Technology》、《纺织导报》和《服装学报》编委；江苏省纺织工程学会染整专业委员会委员；中国纺织工程学会理事。主要从事数字喷墨印花技术，生物质纤维功能化改性技术和迷彩隐身面料的设计与开发技术等领域研究。近年来，已在AM、ACS Appl. Mater. Interfaces等国内外学术期刊发表论文180余篇；授权美国发明专利1项，中国发明专利20项；获中国纺织工业协会科技进步一等奖1项，中国石油及化学工业联合会科技进步二等奖1项，江苏省科技进步二等奖1项、三等奖2项，香港桑麻科技进步二等奖1项。

王冬，博士毕业于中国科学技术大学，现任江南大学纺织科学与工程学院助理研究员,现为中国纺织工程学会会员。主要研究方向为纤维基材料的高强阻燃改性,以及二维纳米材料的制备及功能化应用研究。以第一作者和通讯作者在J. Mater. Chem. A、 ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Eng. J.、J. Hazard. Mater.、Compos. PART B-ENG.等国际国内权威学术期刊上发表SCI论文30余篇，其中一区top论文20余篇，授权中国专利6项：先后入选江苏省双创博士、香江学者等人才项目，荣获中国科学院院长优秀奖等学术奖励；主持十三五国家重点研发计划子课题，江苏省自然科学基金青年基金和中央高校基本科研计划青年基金。

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