基于可编程阳离子-π粘附的恶劣环境稳定型多功能丝绸纺织品实现可持续防护

本研究针对一次性纺织品处理策略引发的环境污染与性能不可持续难题，开发了一种基于仿生阳离子-π相互作用的新型丝绸功能化策略。通过设计含磷芳香族/季铵盐结构的聚有机硅氧烷（P(PPA-Si/QAS)），实现了水下稳固且刺激响应可逆的粘附作用，使丝绸纺织品同时具备持久阻燃（LOI>28%）、高效抗菌（>99.9999%）和防霉特性，且在酸碱/盐溶液等恶劣环境下保持性能稳定（重量保留率95%），更可通过乙醇处理实现100%回收再生，为可持续多功能纺织品设计提供了新范式。

　　

随着安全威胁日益复杂化，能够抵御微生物、火焰和摩擦等多重危害的多功能纺织品需求激增。然而，当前主流的一次性化学表面处理技术不仅难以在恶劣环境（如水下、酸碱溶液）中保持性能稳定性，更对可持续发展理念构成严峻挑战。据统计，至2023年，废弃功能性纺织品产生的微塑料已占全球初级微塑料污染的35%，开发兼具恶劣环境耐久性与可持续性的多功能纺织品成为当务之急。

传统功能化策略如共价接枝、超疏水改性等方法存在不可逆、难回收的缺陷，而基于非共价相互作用（如静电、氢键）的可逆策略又普遍存在粘附力弱、环境稳定性差的问题。自然界的贻贝通过阳离子-π相互作用（cation–π interaction）实现了惊人的水下粘附能力，这种相互作用的能量是水中库仑相互作用的三倍，为新型纺织品设计提供了灵感。

在此背景下，研究人员在《Research》发表的研究中，提出了一种创新的仿生可持续丝绸纺织品制备策略。该研究通过设计含磷芳香族结构和季铵盐（QAS）的多功能聚有机硅氧烷（P(PPA-Si/QAS)），利用可编程、稳固且刺激响应可逆的阳离子-π粘附作用，成功制备出在恶劣环境下稳定的多功能丝绸纺织品。

研究采用的主要技术方法包括：通过核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认化学结构；利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析表面形貌与元素分布；通过极限氧指数（LOI）、垂直燃烧测试（VFT）和锥形量热仪评估阻燃性能；采用平板计数法和荧光染色法测定抗菌防霉活性；借助小角X射线散射（SAXS）和拉曼光谱解析阳离子-π相互作用机制；基于密度泛函理论（DFT）计算进行能量分布模拟。

制备与表征

研究人员首先通过乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）与苯基次膦酸（PPA）的加成反应合成PPA-Si单体，随后与季铵盐硅烷（QAS）共水解缩合制备P(PPA-Si/QAS)前驱体。该材料呈现无色透明状态，光学透光率达98%-100%，雾度仅2.3%。处理后丝绸纺织品保持原有色彩（ΔE<2.5）和柔韧性，SEM显示纤维表面形成均匀薄膜层，XPS证实磷（P2p at 132.0 eV）和硅（Si2p at 101.3 eV）元素成功引入。

阻燃、抗菌和防霉多功能性

P(PPA-Si/QAS)处理使丝绸纺织品获得优异阻燃性能。LOI值从25.5%提升至29.5%，垂直燃烧测试显示自熄特性，残炭长度降至55 mm。锥形量热测试表明峰值热释放率（pHRR）和总热释放量（THR）显著降低，火灾增长指数（FIGRA）明显下降。炭残留分析显示更厚实的多孔炭层形成，起到绝热屏障作用。同时，纺织品对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抗菌率超过99.9999%，对黑曲霉（A. niger）和绿色木霉（T. viride）也表现出显著防霉效果。荧光染色显示处理后微生物细胞膜破裂死亡。

强粘附性、耐久性和恶劣环境稳定性

P(PPA-Si/QAS)在钢基材上表现出高达5.0 MPa的剪切粘附强度，可悬挂25 kg重物。当PPA-Si与QAS摩尔比为1:1时，粘附强度出现跃升，归因于阳离子与苯环的一一对应模式形成最强阳离子-π相互作用。经过10天水浸、不同盐溶液（NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂、FeCl₃）和酸碱（pH 1-14）处理，粘附强度保持稳定，重量保留率达95%。经50次磨损循环后，纺织品仍保持97.5%的重量保留率和原有功能。

水下稳固阳离子-π粘附机制

通过紫外-可见吸收光谱（UV-vis）和动态流变学分析发现，P(PPA-Si/QAS)/乙醇纳米胶束在浓度超过60%时粒径急剧减小至1.3 nm，初始吸收波长红移至600 nm，表明阳离子-π相互作用增强。拉曼光谱显示1000/1030 cm^-1峰强比降至0.73，SAXS图谱出现明显散射环和主散射峰，证实微相分离存在。DFT计算显示1:1比例体系相互作用能达-56.24 kcal/mol，较纯PPA-Si体系（-19.09 kcal/mol）显著降低，验证了最强凝聚能形成机制。

可持续与可编程应用

P(PPA-Si/QAS)在乙醇中可逆解离为纳米胶束（~6.5 nm），实现100%回收再生。通过简单的乙醇浸润-挥发过程，纺织品可多次重构功能：经5次循环后重量增益（WG）保持21wt%，回收率达100%。再功能化纺织品仍保持优异阻燃性（LOI=28.4%）和抗菌活性。固体²⁹Si NMR显示由于大位阻侧基存在，缩合度降低，大量Si-OH未参与缩合，赋予材料独特的乙醇溶解性。浓度梯度实验表明随乙醇挥发，体系粘度显著增加，凝聚能重新形成。

该研究通过仿生阳离子-π相互作用策略，成功解决了多功能纺织品在恶劣环境下的耐久性与可持续性难以兼得的矛盾。所开发的P(PPA-Si/QAS)处理技术不仅赋予丝绸纺织品卓越的阻燃、抗菌和防霉性能，更能在水下、酸碱和盐溶液等极端条件下保持性能稳定，同时通过乙醇处理实现完全回收再生。这种可编程、可逆的功能化策略为开发新一代智能多功能纺织品提供了新思路，显著推进了纺织品生命周期的循环可持续发展，对实现碳达峰与碳中和战略目标具有重要实践意义。