防火于“未燃”——一种织物的“可膨胀”阻燃涂层_符志成.pdf

Univ.Chem.2023,38(4),169176 169 收稿：2022-10-10；录用：2022-11-29；网络发表：2022-12-29*通讯作者，Emails:wangting_(汪婷);(陈明军)基金资助：国家自然科学基金项目(21975208,22205184)；四川省杰出青年科技人才项目(2020JDJQ0062)；湖北三峡实验室开放/创新基金项目(SK213005,2022LF2021)；四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目(JG2021-114,JG2021-932)；西华大学教育教学改革研究项目(xjjg2021005)化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202210019 防火于“未燃”一种织物的“可膨胀”阻燃涂层防火于“未燃”一种织物的“可膨胀”阻燃涂层 符志成1，汪婷1,*，张润滋1，李丽1，李小英1，邓瑾妮1，姜艳2，陈明军1,*1西华大学理学院，成都 610039 2四川省温江中学，成都 611134 摘要：摘要：防火安全宣传和教育是保护公众生命财产安全的关键环节，开展火灾和阻燃相关科学知识的传播普及是当前提高国民的防火安全意识、减少火灾事故发生的重要手段，然而，目前围绕阻燃相关知识的科普还比较缺乏。因此，本文用简捷方法构筑家庭日常织物的“可膨胀”阻燃涂层，赋予其阻燃性，通过大众触手可及和喜闻乐见的艺术形式，如设计有趣且生动形象的实验和机理动画，向青少年普及燃烧三要素、阻燃材料、阻燃机理等化学和材料知识，实现让阻燃织物制备从实验室走向家庭课堂。本文针对各个年龄阶段的公众设计多维度“防火于未燃”的科普实验，不仅有利于青少年感受化学魅力、增强对化学的兴趣，而且能让前沿的科技成果实践于现实生活中，有助于提高全民的防火安全意识和科学素质。关键词：关键词：火灾；织物；阻燃；涂层；科普实验 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Prevent Fire in“Unburnt”:An“Expandable”Flame Retardant Coating for Fabrics Zhicheng Fu 1,Ting Wang 1,*,Runzi Zhang 1,Li Li 1,Xiaoying Li 1,Jinni Deng 1,Yan Jiang 2,Mingjun Chen 1,*1 School of Science,Xihua University,Chengdu 610039,China.2 The Wenjiang Middle School Sichuan,Chengdu 611134,China.Abstract:Fire safety propaganda and education is crucial for protecting the public and their property.However,popularization of science regarding fire-and flame-retardant-related knowledge,as an important strategy to improve the national awareness of fire safety and reduce the occurrence of fire accidents,is currently limited.This paper presents a simple method for fabricating“expandable”flame retardant fabric coatings.Chemical knowledge,especially the three aspects of combustion,flame retardant materials,and flame retardant mechanisms,is popular among young people owing to the publics accessible and popular art forms,including the design of interesting and vivid experiments,and the animation of mechanisms.The flame retardant fabrics may be prepared in the laboratory and at home.In this study,the multidimensional popular science experiments on the“Prevent Fire in Unburnt”fabrics designed for the public of all ages not only attracts teenagers to chemistry but also enables practical frontier scientific achievements,which facilitates the improvement of the publics awareness of fire safety and scientific quality.Key Words:Fire hazard;Fabric;Flame retardancy;Coating;Experiments of popularization of science170 大 学 化 学 Vol.38织物是我们生活中必不可少的材料，广泛应用于服装、家具装饰、汽车、医用以及航天军工等领域。但织物极易燃烧的特性给我们的生活带来了许多潜在的危险。研究表明，若在织物表面附着一种能阻止织物燃烧的助剂，即阻燃剂，实现在其表面构筑阻燃涂层，便可得到阻燃织物1。为了使公众更科学和清晰地了解该方面知识，提高防火安全意识，科普阻燃织物的制备过程具有重要社会意义2。目前制备阻燃织物的方法主要分为：共聚法和后整理法。其中共聚法是指含磷阻燃单体参与聚合反应，在纺丝过程中制备得到阻燃纤维，此方法具有良好的耐久性、耐水性以及低毒性等优点，但是合成复杂、设备要求高、成本高，在实际生活中难以实现科普推广。对于后整理法而言，它具有制备过程简单、成本低、环境友好等优点，现已得到广泛应用3。其中，以层层自组装法最具代表性，此法将带相反电荷的聚电解质交替沉积在织物表面，从而达到构筑阻燃涂层的目的4,5，具有构筑基元种类丰富、环保低毒等优点，具备一定科普推广优势6。因此，本文针对青少年设计了操作简单且科学系统的科普实验，以大众触手可及和喜闻乐见的艺术形式，如用生动形象的动画和浅显易懂的语言将燃烧三要素及阻燃机理进行展示，通过视频对阻燃织物燃烧测试进行播放科普等，激发学生对化学的兴趣，感受化学的魅力；另外，还将化学实验方法带入到居家“课堂”，带动社会群体走进化学，切身体验化学的乐趣，增强防火意识；最后，设计阻燃性能测试实验，为大家鉴定织物阻燃等级并准确购买阻燃织物提供指导性的科学理论。本文的科普方法简单，科普内容丰富，向大众展示了化学之趣、化学之美，并且教会大家将理论运用于实践，用化学知识解决生活中的实际问题，同时，本文科普实验有助于防火科学知识和科学精神在全社会得到更好弘扬，为形成全民讲科学的良好习惯和社会氛围贡献力量。1 实验部分实验部分 1.1 实验原理实验原理 可燃物在空气中燃烧，需要达到该物质着火燃烧所需要的最低温度，这个最低温度叫做该物质的着火点。另外，燃烧的发生条件须具备三个基本要素：可燃物、氧气和热量，只有当三者间以适当比例存在时，才能发生燃烧，任何一种要素的缺少，都将无法发生燃烧7。膨胀型阻燃剂通常又由三种组分组成：无机酸或加热至一定温度时产生的酸类化合物(酸源)；在酸性条件下可脱水成碳的化合物(炭源)；受热时可在合适的温度和时间释放出挥发性物质，从而使体系发泡的化合物(气源)8,9。因此，当加入膨胀型阻燃剂，对织物进行阻燃处理时，燃烧过程中就会出现自熄行为，产生此现象的机理如下：(1)在燃烧过程中，会在织物(也称为可燃物)表面形成一层致密的炭层作保护层，从而隔绝可燃物、火焰区域以及氧气以实现火焰熄灭；(2)在材料燃烧过程中，会释放出不可燃烧气体，稀释火焰区的氧气和材料分解的可燃性气体，从而达到阻燃；(3)在织物燃烧过程中，某种物质能吸热，使温度低于可燃物着火点，使火焰熄灭1012。本实验中，壳聚糖(图1右)充当炭源和气源，氨基三亚甲基膦酸(图1左)充当酸源，构筑可膨胀阻燃涂层，从而达到隔绝氧气和可燃物的目的，进而进行阻燃，最后根据国标阻燃织物标准(表1)，通过垂直燃烧测试判定阻燃剂在织物中的燃烧等级。图图1 氨基三亚甲基膦酸和壳聚糖结构式氨基三亚甲基膦酸和壳聚糖结构式 No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202210019 171表表1 GB175912006中的装饰类织物燃烧性能要求中的装饰类织物燃烧性能要求 样品 考核指标 损毁长度/mm 续燃时间/s 阴燃时间/s GB175912006中B1级标准样 150 5 5 GB175912006中B2级标准样 200 15 15 1.2 原料与试剂原料与试剂 本科普实验采用的织物为家庭常用的衣物或者窗帘布料。所使用试剂为壳聚糖和氨基三亚甲基膦酸，他们都是生物质来源，容易获得，安全环保。实验试剂如表2所示。表表2 实验试剂实验试剂 试剂 规格 制造商 壳聚糖(CH)分析纯 上海天腾科技有限公司 氨基三亚甲基膦酸(ATMP)分析纯 上海天腾科技有限公司 1.3 仪器与设备仪器与设备 实验耗材为家庭普通日用品，所用测试仪器为实验室仪器。实验所需耗材和仪器如表3所示。表表3 实验耗材及仪器实验耗材及仪器 仪器名称 规格/型号 数量 家用量杯 常规 2 筷子 常规 1 烘焙电子秤 常规 1 刷子 常规 1 吹风机 1000 W 1 打火机 常规 1 水平垂直燃烧测定仪 CZF-3 1 1.4 实验步骤实验步骤 1.4.1 燃烧必要条件探索燃烧必要条件探索 选择三个布样条，分别进行以下三个实验操作：首先，将布样放在石棉网上点燃，向其喷洒水，观察现象，发现火焰熄灭。实验操作如图2所示。接着，将布条放置在支架上点燃，然后将家用量杯倒扣在燃烧的布上，观察现象，发现火焰熄灭。实验操作如图3所示。图图2 温度降低使火焰熄灭示意图温度降低使火焰熄灭示意图 172 大 学 化 学 Vol.38图图3 隔氧前后对比图隔氧前后对比图 最后，将布条一端点燃，然后用剪刀将燃烧部分剪掉，阻断可燃物，观察现象，发现无法燃烧。实验操作如图4所示。图图4 隔绝可燃物实验操作步骤隔绝可燃物实验操作步骤 1.4.2 阻燃涂料、阻燃布条的家庭制备及燃烧测试阻燃涂料、阻燃布条的家庭制备及燃烧测试 阻燃涂料、阻燃布条家庭制备：此部分针对中小学生及普通大众，设计简单的实验步骤：用一步涂敷法制备阻燃布，实验步骤如图5所示。首先称取3 g壳聚糖、86 g矿泉水和11 g氨基三亚甲基膦酸放入家用量杯中，搅拌3 min，接着用刷子均匀涂敷到布条上，最后用吹风机吹干，便可制得。阻燃涂料制备步骤与阻燃布条制备相同。燃烧测试：首先制备阻燃剂，将布样一半均匀涂敷阻燃涂料，另一半不作处理，使用吹风将涂覆部分吹干，点燃布样，观察现象。通过阻燃效果对比，实验步骤和现象如图6所示。1.4.3 火灾模拟情景实验火灾模拟情景实验 阻燃衣物：使用阻燃布和未处理布缝制衣物，并将衣服穿在木偶娃娃身上；点燃织物，观察现象(图7)。图图5 阻燃布制备的流程图阻燃布制备的流程图 No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202210019 173图图6 阻燃燃烧测试图阻燃燃烧测试图图图7 纯布衣服纯布衣服(左左)和阻燃衣服和阻燃衣服(右右)对比图对比图 阻燃窗帘：使用纸折出房子，将阻燃布和未处理布分别作为窗帘贴在房子上，使用打火机点燃窗帘，观察现象(图8)。图图8 纯布窗帘