《Fire》：Inter Layer Effect of Poly(acrylic acid) on the Multilayers Assembly on Cotton Fabric Using Bentonite/Halloysite/Chitosan Composite Matrix
Zeeshan Ur Rehman,
Hamid Hassan,
Jung Hoon Han,
Jin Doo Yoon,
Seung Woo Park,
Ji Hyeon Park,
Dong Geon Ha and
Bon Heun Koo
编辑推荐：
为了赋予棉织物高效阻燃性，研究者采用层层自组装（LBL）技术，将聚丙烯酸（PAA）作为“夹心”层注入，构建了基于壳聚糖（阳离子）与蒙脱土或埃洛石纳米粘土（阴离子）的复合涂层。研究表明，以埃洛石纳米管为基础的涂层（PCH-5TL）在热稳定性、残炭量、热释放速率抑制及火焰蔓延抵抗方面表现出最优性能，为开发环境友好型高性能阻燃纺织品提供了新的思路。
火灾，这个无情地吞噬生命与财产的“红色猛兽”，其威胁在全球范围内与日俱增。在众多火灾隐患中，我们日常穿着、使用的棉织物，作为一种天然有机聚合物，恰恰是高度易燃的材料。一场致命的火灾，有时仅仅源于一个微小的火花或短暂的疏忽。研究表明，哪怕将起火后的逃生时间延长短短10秒，也可能挽救成千上万的生命。因此，如何为棉花穿上“防火盔甲”，成为材料科学和消防安全领域一个至关重要的课题。
传统的阻燃方案曾严重依赖卤系化合物，它们虽有效，却在燃烧时释放出如二噁英、呋喃等剧毒致癌物质，逐渐被限制使用。此后，无卤、环保的阻燃体系成为研究焦点，其中磷、氮、硅等元素基的化合物展现出潜力。近年来，一种结合了生物基聚电解质（如壳聚糖）和层状硅酸盐粘土（如蒙脱石、埃洛石）的复合涂层体系，因其环境友好和潜在的协同阻燃效应，受到了广泛关注。壳聚糖本身具有成炭能力，而粘土能在材料表面形成致密的物理屏障。特别是埃洛石纳米管，凭借其独特的管状形态和高比表面积，被认为能提供优于传统片状粘土（如蒙脱石）的热屏蔽和结构增强效果。然而，在受控的层层自组装（Layer-by-Layer, LBL）架构下，对不同粘土形态（片状vs.管状）的多层体系进行系统比较的研究仍然有限。为此，来自韩国的研究团队Zeeshan Ur Rehman, Hamid Hassan, Jung Hoon Han, Jin Doo Yoon, Seung Woo Park, Ji Hyeon Park, Dong Geon Ha 和 Bon Heun Koo在《Fire》期刊上发表了一项研究，深入探讨了聚丙烯酸（PAA）作为中间层，在棉织物上构建基于蒙脱石/埃洛石/壳聚糖复合基质的LBL涂层，并系统比较了它们的阻燃性能。
为了完成这项研究，作者团队运用了几个关键技术方法。首先，他们采用层层自组装（LBL）技术在棉织物基底上构筑多层涂层，依次浸入聚丙烯酸（PAA）、壳聚糖以及蒙脱石或埃洛石分散液中，形成“三明治”结构。其次，他们利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDAX） 对涂层的表面形貌、元素组成及燃烧后残炭结构进行了微观表征。再者，热重分析（TGA）和微尺度燃烧量热法（MCC） 被用来评估涂层棉织物的热稳定性、残炭率、热释放速率等关键热学与燃烧参数。最后，研究通过垂直燃烧测试（遵循ASTM D6413标准） 对涂层织物的宏观阻燃性能，如点燃难度、火焰蔓延速度和燃烧速率，进行了直观验证。
3.1. 微结构与成分分析
通过扫描电镜观察发现，随着三层结构数量的增加，基于蒙脱石的涂层（PCB系列）附着强度增加，纤维结合更紧密；而基于埃洛石的涂层（PCH系列）则因纳米管的高比表面积，出现了更多的团聚现象，导致纤维分离。能量色散X射线光谱分析显示，埃洛石基涂层中铝（Al）和硅（Si）的含量更高，表明其纳米管结构能更有效地负载阻燃组分。紫外-可见光谱和傅里叶变换红外光谱的结果共同证实，随着PAA夹心层数的增加，涂层吸收强度增强，厚度增加，并且出现了与涂层组分相关的新特征峰，证明了涂层的成功沉积。
3.2. 热稳定性
热重分析结果表明，所有涂层样品的热稳定性均优于未处理的棉织物。其中，具有五层三明治结构的埃洛石基涂层（PCH-5TL）表现最优，其在600°C下的残炭率最高，达到约19%，远高于未处理棉布的1.2%。此外，PCH-5TL的降解峰出现在约389°C，其热分解曲线显示出更宽的平台，表明涂层在高温下形成了更稳定、分解更缓慢的炭层，有效延缓了热降解过程。
3.3. 热解-燃烧与可燃性分析
微尺度燃烧量热测试揭示了涂层的燃烧行为。埃洛石基涂层，特别是PCH-5TL，表现出最低的峰值热释放速率（PHRR，约196 W/g）和总热释放量（THR，约10.21 kJ/g），比对应的蒙脱石基涂层和层数更少的样品有显著降低。这说明PCH-5TL在燃烧时释放的热量更少，阻燃效率更高。垂直燃烧测试的宏观结果与微观数据一致：PCH-5TL样品在火焰点燃10秒和15秒后，其火焰高度和蔓延范围均被显著抑制，燃烧速率也大大降低，直观证明了其优异的火焰抵抗能力。
3.4. 结论
本研究的结论部分综合了所有发现。基于聚丙烯酸的夹心层被成功引入到棉织物的LBL涂层体系中。研究证实，埃洛石纳米管基的涂层（PCH-5TL）在所有测试样品中展现出最佳的阻燃综合性能。其卓越性能归因于两个主要机制：一是涂层，尤其是埃洛石纳米管形成的致密物理屏障，有效隔绝了热量和氧气的传递；二是涂层体系促进了棉纤维在高温下的脱水成炭反应，生成更多的热稳定炭层，而非可燃挥发物。与片状的蒙脱石相比，管状的埃洛石因其更高的比表面积和独特的形态，能更有效地负载阻燃组分并嵌入纤维之间，从而提供了更强的热屏蔽和结构增强效果。
这项研究的意义在于，它不仅系统比较了两种不同形态的纳米粘土（蒙脱石与埃洛石）在LBL阻燃涂层中的性能差异，还为开发高效、环境友好的生物基纳米复合阻燃涂层提供了明确的材料选择与结构设计思路。采用埃洛石和壳聚糖的PCH-5TL体系，在无需使用有毒卤系阻燃剂的情况下，显著提升了棉织物的防火安全等级，这对于纺织、家居、防护装备等领域具有重要的潜在应用价值。
