基于含硅无机颗粒的纳米复合阻燃涂层的可控制备方法

本发明涉及一种基于含硅无机颗粒的纳米复合阻燃涂层的可控制备方法，属于织物阻燃后处理方法应用领域。

背景技术：

1、棉的主要成分是纤维素，纤维素中丰富的羟基使其可以通过形成分子内或分子间氢键以及化学反应等方式对棉织物进行表面修饰。随着阻燃技术和材料的快速发展，可用于层层自组装法的各种阻燃材料通过静电相互作用、氢键、共价键等作用方式不赋予了棉织物其他的功能性。无机纳米颗粒在织物阻燃领域中广泛应用，其主要通过形成致密的隔离层，发挥物理屏障作用实现凝聚相阻燃。在实际应用过程中，无机纳米颗粒多与其它阻燃剂协同使用。此外，无机纳米颗粒的存在对织物手感和力学性能影响相对较小。含硅无机纳米颗粒如二氧化硅(sio2)和硅酸盐类，因其自然含量丰富、价格低廉并且环境友好等优点在棉织物阻燃研究中备受关注，硅酸盐黏土类纳米材料如海泡石、凹凸棒土、蒙脱土等，它们的比表面积大、热稳定性好，在织物阻燃领域也具有较好的应用前景。

2、层层自组装法因其工艺简单，操作方便，环境友好且制备成本较低的突出特点，在织物阻燃后整理技术领域的应用越来越广泛。阻燃涂层之间的驱动力从静电作用逐渐拓展到氢键、配位作用、化学键作用等。与传统的阻燃方法相比，层层自组装法将阻燃涂层构建在织物表面，对织物燃烧过程可以产生有效的延缓，并且对织物本身机械性能影响较小。然而，基于纳米颗粒的组装技术面临着工艺优化的问题，选择不同的电解质或纳米颗粒，抑或是组装顺序、温度、组装溶液ph值等工艺条件都会影响涂层的阻燃效率。故而，本发明对含硅无机颗粒的纳米复合阻燃涂层的可控制备技术提出简单易实现的解决办法。同时，温和的制备条件还可以解决对棉织物力学性能影响的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对层层自组装阻燃涂层的可控制备方法的难点问题，提供一种基于含硅无机颗粒的纳米复合阻燃涂层的可控制备方法；本发明介绍了一项可控制备技术，其通过强化各涂层间的结合作用，实现了力学增强和协同阻燃性能的p-n-si棉织物。该技术采用了一种层层自组装的方法，通过在棉织物表面制备含硅无机颗粒、聚乙烯亚胺(pei)和含磷的植酸(pa)等涂层。这些涂层在经过控制工艺条件和层数后，能够形成复合纳米涂层结构，为棉织物提供卓越的力学增强和阻燃效果。本发明方案中的植酸(pa)作为一种绿色的阻燃剂发挥重要作用。它在棉织物燃烧前开始分解，并产生酸性物质，促进炭化反应，形成炭层，有效地阻止燃烧的发展。同时，含硅无机颗粒可以强化炭层结构，聚乙烯亚胺(pei)能够实现气相阻燃效果，与pa发挥协同阻燃作用。总之，本发明采用了一种综合的可控制备技术，使p-n-si棉织物在阻燃性能和力学性能方面表现出卓越的特性。这对于提升棉织物的性能，满足特殊工业和应用领域的需求，具有重要的应用价值和市场潜力。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、基于含硅无机颗粒的纳米复合阻燃涂层的可控制备方法，包括如下步骤：

4、(1)棉织物预处理

5、裁剪后的棉织物清洗至中性，烘干备用；

6、(2)制备组装溶液

7、pei组装溶液制备：将聚乙烯亚胺pei溶解于去离子水中，用稀盐酸溶液调节ph值，制成聚阳离子溶液，即pei溶液；

8、pa组装溶液制备：将植酸pa溶解于去离子水中，用氢氧化钠溶液调节ph值，制成pa组装溶液；

9、(3)制备组装悬浮液

10、atta悬浮液配制：将atta纳米颗粒分散制备悬浮液，悬浮液在超声细胞粉碎机进行处理，之后用naoh溶液调节ph值，得到0.6wt％的atta纳米颗粒悬浮液；

11、三种pa-含硅纳米颗粒悬浮液配制：植酸加水稀释至浓度1wt％，在磁力搅拌的条件下加入含硅纳米颗粒，得到pa-含硅纳米颗粒悬浮液；植酸与悬浮液中含硅无机纳米颗粒的添加量的质量比为1:0.6；所述含硅无机纳米颗粒为atta纳米颗粒、二氧化硅(sio2)或者蒙脱土(mmt)；

12、pei-atta悬浮液配制：聚乙烯亚胺加水稀释至浓度1wt％，在磁力搅拌的条件下加入atta纳米颗粒，之后用hcl溶液调节ph值，得到pei-atta悬浮液；聚乙烯亚胺、atta添加量的质量比为1:0.6；

13、(4)制备阻燃棉织物

14、按照工艺组装配方，将步骤(1)预处理的棉织物浸入第一种组装液中一定时间，然后用去离子水冲洗，除去表面未吸附的物质；再放入另一种组装液，浸渍一定的时间，取出压至无明显液体滴落，用去离子水冲洗，除去表面未吸附的物质；依次类推，直至所有悬浮液按照工艺配方组装完毕，此时的涂层称作1层，依次重复涂装过程，组装多层后停止，放入鼓风干燥箱进行烘干，实现在棉织物表面上含硅无机颗粒的纳米复合阻燃涂层的可控制备；

15、步骤(1)中所述烘干温度为60-80℃，烘干时间为1.5h。

16、步骤(4)中第一层的浸泡时间为5min，之后每层的浸泡时间为3min，烘干温度为60℃，烘干时间为1h。

17、优选地，步骤(1)中所述氢氧化钠溶液的浓度为0.1wt％，超声波时间为30min，烘干温度为60-80℃，烘干时间为1.5h。

18、优选地，步骤(2)和(3)中pei聚阳离子溶液的浓度为1wt％，将ph调节到9.5。稀释后pa溶液的浓度为1wt％，将ph调节到4.0。含硅纳米颗粒悬浮液中纳米颗粒的浓度均为0.6wt％，pei-atta悬浮液的ph调节到9.5；pa-atta，pa-sio2和pa-mmt悬浮液ph调节到4.0，。其中，超声波细胞粉碎机处理时间为10min。

19、优选地，步骤(4)中第一层的浸泡时间为5min，之后每层的浸泡时间为3min，烘干温度为60℃，烘干时间为1h。

20、有益效果

21、1、本发明中的pa是植物种子中磷的主要储存形式，它可占谷类和油料种子干重的6％。其结构中含有六个磷酸基团，含磷量高达28wt％，具有很强的螯合能力，被广泛用作有效的绿色含磷的阻燃剂。在热降解过程中，pa在棉织物分解之前便开始分解，分解产物中的酸性物质可以作为催化剂，促进织物脱水炭化反应的进行，促进了炭层的形成，有助于阻隔可燃性气体的燃烧。

22、2、凹凸棒(一维结构)与蒙脱土(二维结构)属于硅酸盐类的阻燃剂，其比表面积较大，与织物具有较大的接触面积，对其力学性能影响较小，而且可以在纤维表面形成包覆的作用。燃烧过程中受热分解成稳定的氧化物，形成致密的类陶瓷结构，保护织物基体内部未分解的纤维，实现凝聚相阻燃。此外，硅酸盐类无机硅系阻燃剂在热分解过程中会产生水蒸气，可以带走一部分热量，并同时稀释氧气和可燃气体的浓度，实现气相阻燃的作用。pei中氮元素丰富，可以和pa、含硅纳米颗粒起到磷-氮-硅协同阻燃的效果。

23、3、本发明中使用层层自组装技术通过配方的设计在纳米尺度上调控涂层的结构，制备过程条件温和不会对棉纤维产生消极影响。本发明通过层层自组装的方法将pei、pa和含硅纳米颗粒整理到棉织物上，随着含硅无机纳米颗粒维度的增加，棉织物阻燃效果随之提升，pei/pa-mmt阻燃棉织物的loi值达到23.8％，相较于未阻燃的棉织物提升了38.4％；同时，pei/pa-mmt阻燃棉织物在经向上的断裂强力上升到372.7±1.9n(未阻燃的棉织物为293.1±3.7n)。综合来看，二维的蒙脱土纳米颗粒在提升棉织物的阻燃性能的同时使其力学性能也得到了加强。