一种新型含磷氮氧化物，可提升热塑性聚氨酯的消防安全性能和紫外线屏蔽效果

《Polymer Degradation and Stability》：A novel phosphorus-containing nitrogen oxide for enhancing fire safety and UV shielding properties of thermoplastic polyurethanes

本研究合成DOPO基铵磷酸盐聚合物SH，作为多功能整理剂，通过焙烧交联法制备无甲醛、耐久阻燃、抗皱和抗紫外线棉布。SH通过P-O-C交联增强抗皱性，磷氧基团促进焦化并淬灭自由基，DOPO结构实现285.4UPF的紫外线屏蔽。处理后棉布LOI达41.1%，50次洗涤后仍保持31.8%LOI和189.4UPF，兼具阻燃、抗皱、抗紫外线功能。

　　在现代纺织工业中，棉织物因其天然特性，如透气性、柔软度、穿着舒适性和生物相容性，被广泛应用于服装、家居装饰和工业产品等领域。然而，棉纤维本身具有高度可燃性，这使得其在某些高风险环境中使用受到限制。近年来，随着对消防安全的重视，市场对具有阻燃性能的棉织物需求日益增加。为了满足这一需求，科学家们不断探索新的阻燃处理技术，以提高棉织物的阻燃性能和耐用性，同时减少对环境和人体健康的潜在危害。

传统的阻燃剂，如Proban和Pyrovatex CP，虽然在提高棉织物阻燃性能方面取得了显著成效，但它们在使用过程中可能会释放甲醛，这不仅对使用者健康造成威胁，也限制了其在某些敏感领域的应用。因此，开发无甲醛的阻燃剂成为当前研究的重点。近年来，研究人员尝试通过引入具有反应性的化学基团，如羧酸、氯三嗪、乙烯基和铵膦酸基团，来设计新型的非甲醛阻燃剂。其中，铵膦酸基团因其高效的阻燃性能而受到广泛关注，尤其是在提高棉织物阻燃耐久性方面。

尽管如此，目前大多数含铵膦酸基团的阻燃剂在洗涤过程中仍存在耐久性不足的问题。这是因为铵膦酸基团在棉纤维中形成的P-O-C键容易在洗涤过程中发生水解，导致阻燃剂的脱落。此外，残留的铵膦酸基团可能会与洗涤过程中接触到的金属离子（如钠离子、镁离子和钙离子）发生结合，进一步降低其在织物中的稳定性。因此，为了提高阻燃剂的耐久性，研究人员提出了多种策略，包括合成含有大量铵膦酸基团的聚合物，以及引入非带电的阻燃基团，如磷酸酯基团。

其中，磷酸酯基团因其在洗涤过程中不易与金属离子结合，而被认为是一种有效的选择。研究表明，含有磷酸酯基团的阻燃剂在多次洗涤后仍能保持较高的阻燃性能，并且对织物的拉伸强度影响较小。这使得磷酸酯基团成为一种具有应用前景的阻燃基团。此外，磷酸酯基团在加热过程中不会产生酸性基团，这有助于保持织物的物理性能。

近年来，Zeng等人研究发现，9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO）在抗紫外线方面具有巨大潜力。DOPO分子中的磷杂菲基团能够强烈吸收紫外线，使其成为一种高效的抗紫外线剂。此外，DOPO分子在高温下能够释放含磷酸和磷自由基，从而促进炭化形成并捕获高能自由基，进一步提高其阻燃性能。因此，DOPO分子被广泛应用于阻燃剂的合成中。

基于DOPO分子的优异性能，本研究提出了一种新的思路，即设计一种同时含有大量铵膦酸基团和磷杂菲基团的复合材料，以实现棉织物的多功能处理。通过这种方法，不仅可以提高棉织物的阻燃性能，还能增强其抗皱和抗紫外线性能。此外，这种复合材料能够在洗涤过程中保持较高的稳定性，从而提高其耐久性。

为了实现这一目标，本研究成功合成了一种基于DOPO的铵膦酸聚合物（SH），并通过一种简便的“一石三鸟”策略，制备出无甲醛、具有优异阻燃性能、抗皱和抗紫外线的棉织物。通过化学结构分析，研究人员确认了SH分子的组成及其与棉纤维的结合方式。此外，对处理后的棉织物进行了多项性能测试，包括拉伸强度、弯曲性能、热性能、透气性、抗皱性能、抗紫外线性能和阻燃性能，并评估了其在多次洗涤后的耐久性。

研究结果表明，使用15%的SH溶液处理的棉织物，其抗皱恢复角达到258.1度，显示出良好的抗皱性能。同时，SH分子中的P/N协同效应和紫外线吸收能力显著增强了其阻燃性能和抗紫外线性能。对于使用25% SH溶液处理的棉织物，其极限氧指数（LOI）和紫外线防护因子（UPF）分别为41.1%和285.4，在按照AATCC 61-2013 3A标准进行50次洗涤后，LOI和UPF仍分别保持在31.8%和189.4。这表明SH分子在多次洗涤后仍能保持较高的阻燃性能和抗紫外线性能，显示出良好的耐久性。

进一步研究表明，SH分子在阻燃过程中通过促进炭化形成、淬灭自由基和稀释氧气和燃料，发挥其阻燃作用。这种复合材料的合成和应用不仅为设计多功能的棉织物处理剂提供了新的思路，也为简便地制备具有高耐久性的多功能棉织物提供了一种可行的策略。通过这种方法，研究人员能够有效提高棉织物的阻燃性能、抗皱性能和抗紫外线性能，同时减少对环境和人体健康的潜在危害。

在材料合成方面，本研究使用了多种基础材料，包括棉织物、尿素、甲醛（37%水溶液）、氨水（28-30%）和乙醇（99.8%）。此外，还使用了DOPO（99%）、支化聚乙烯亚胺（bPEI，分子量为800 g/mol）和磷酸（99%）等化学试剂。这些材料的选择和使用，为SH分子的合成提供了必要的化学基础。

在SH分子的合成过程中，研究人员通过一系列化学反应，成功地将DOPO分子与铵膦酸基团结合，形成了一种具有多功能性的聚合物。这种合成方法不仅提高了SH分子的阻燃性能，还增强了其抗皱和抗紫外线性能。此外，通过化学结构分析，研究人员确认了SH分子的组成及其与棉纤维的结合方式，为后续性能测试提供了理论依据。

对处理后的棉织物进行的性能测试表明，其在多种物理和化学性能方面均表现出优异的特性。例如，处理后的棉织物在多次洗涤后仍能保持较高的拉伸强度，这表明其物理性能得到了有效保护。此外，其抗皱性能和抗紫外线性能也得到了显著提高，显示出良好的应用前景。同时，其阻燃性能在多次洗涤后仍然保持较高水平，这表明其在实际应用中具有良好的耐久性。

本研究的创新点在于，通过引入DOPO分子和铵膦酸基团，成功设计出一种多功能的棉织物处理剂。这种处理剂不仅能够提高棉织物的阻燃性能，还能增强其抗皱和抗紫外线性能，同时减少对环境和人体健康的潜在危害。此外，通过简便的“一石三鸟”策略，研究人员能够在不使用甲醛的情况下，制备出具有高耐久性的多功能棉织物。这为棉织物的阻燃处理提供了新的思路，并为提高棉织物的综合性能提供了可行的解决方案。

在实际应用中，这种多功能的棉织物处理剂具有广泛的前景。例如，它可以用于服装、家居装饰和工业产品等领域，提高这些产品的安全性。此外，由于其无甲醛的特性，它还可以用于对环保要求较高的场合，如儿童服装和医疗用品。同时，其良好的耐久性也使其在实际使用中具有较高的可靠性。

本研究的成果不仅为棉织物的阻燃处理提供了新的方法，也为其他功能性纺织材料的开发提供了参考。通过这种方法，研究人员能够有效提高纺织材料的综合性能，同时减少对环境和人体健康的潜在危害。此外，这种研究思路也为未来的研究提供了新的方向，即通过结合多种功能性的化学基团，设计出更加高效的多功能纺织材料。

综上所述，本研究通过合成一种基于DOPO的铵膦酸聚合物（SH），成功制备出无甲醛、具有优异阻燃性能、抗皱和抗紫外线的棉织物。这种棉织物不仅在物理和化学性能方面表现出色，而且在多次洗涤后仍能保持较高的性能水平，显示出良好的耐久性。本研究的成果为提高棉织物的安全性和功能性提供了新的思路，并为未来的研究和应用奠定了基础。