经过柚皮素改性的耐用棉织物，兼具阻燃、抗菌及紫外线光热响应功能

《Polymer Degradation and Stability》：Naringenin-engineered durable cotton fabric with integrated flame retardancy, antibacterial, and UV-photothermal performance

本研究通过聚多巴胺（PDA）与磷酸化橙皮苷（NPDA）共修饰棉织物，制备出多功能NPDA@Cotton面料。该面料阻燃性能优异（LOI达33.3%），自熄性良好，热释放速率峰值降低87.1%，总热释放减少70.4%；同时具有卓越的紫外线屏蔽（透光率<0.1%，UPF 1898.1）和光热转换能力（模拟太阳辐照下升温至53.5℃），抗菌率分别达99.62%和89.81%，且耐洗性达50次循环。该策略有效解决了纺织物功能化耐久性难题，为开发智能纺织品提供了新思路。

　　本研究聚焦于开发一种多功能的棉织物，旨在解决天然棉纤维在实际应用中面临的主要问题。棉纤维因其良好的透气性、吸湿性、柔软性和热舒适性，在服装制造、家居用品、汽车内饰、医疗纺织品等多个领域被广泛应用。然而，其固有的易燃性和功能性能的局限性也使得其在一些高要求的应用场景中受到限制。为了克服这些缺陷，研究团队通过引入聚多巴胺（PDA）涂层和磷酸化柚皮素（NPDA@Cotton）的结合策略，成功地提升了棉织物的多种性能，使其具备了优异的阻燃性、抗菌性、紫外线防护能力和光热转换能力，同时保持了良好的洗涤耐久性和机械性能。

阻燃性能是纺织品在实际应用中需要解决的关键问题之一。棉纤维在燃烧过程中容易快速蔓延火焰，导致严重的火灾隐患。传统阻燃剂，如卤素阻燃剂（HFRs），虽然在阻燃效果上表现突出，但其在热分解过程中会释放有毒的卤化物和腐蚀性气体，这些物质不仅对环境造成污染，还可能对人体健康产生危害。因此，近年来研究者们开始关注非卤素阻燃剂的应用，特别是氮-磷协同阻燃剂（NP-FRs）。这类阻燃剂通常通过凝聚相和/或气相机制来抑制燃烧，相较于传统卤素阻燃剂更加环保。此外，一些基于生物质的阻燃材料，如植物多酚、植酸衍生物和壳聚糖纳米复合材料，因其来源广泛、环保性和良好的功能性而受到关注。

多巴胺作为一种生物启发的儿茶酚胺，具有独特的表面附着聚合能力。通过氧化自组装反应，多巴胺可以在多种有机和无机材料表面形成聚多巴胺（PDA）涂层。这种涂层不仅具有优异的基材适应性，还能够通过与PDA中的儿茶酚基团发生反应，将其他功能性分子（如阻燃剂、导电聚合物等）嫁接在其表面。因此，PDA被广泛应用于纺织品表面改性，成为一种极具潜力的多功能材料平台。此外，PDA中含有苯环和酚羟基，这些结构不仅赋予其形成炭层和自由基捕获的能力，还使其在紫外线防护和阻燃性能方面表现出色。

与此同时，随着人们对服装舒适性需求的不断提升，光热织物在个人热管理中的作用也日益凸显。光热织物能够将太阳能转化为热能，为寒冷环境或能源获取困难的地区提供了一种有效的热调节方案。这不仅有助于提高穿着者的舒适度，也符合全球可持续发展的趋势。此外，PDA因其类似于天然黑色素的特性，能够赋予棉织物光热转换能力，使其在光热应用领域具有广阔前景。已有研究表明，通过在棉织物表面涂覆PDA与MXene的混合物，可以实现光热织物在单一光照下达到65°C的表面温度，甚至在施加安全电压的情况下达到100.8°C的高温，展现出良好的光热性能。

柚皮素作为一种天然黄酮类化合物，广泛存在于柑橘类水果中，如葡萄柚、橙子和番茄。它不仅具有显著的抗氧化、抗炎、抗菌和抗癌活性，还因其独特的化学结构而展现出优异的阻燃性能。柚皮素的脱氧苯甲酸结构在热分解过程中能够促进快速碳化，从而有效抑制火焰的传播。此外，柚皮素还能够通过与棉纤维中的纤维素基团形成稳定的化学键，提高其在纺织品中的耐久性。研究表明，通过在高温下使用磷酸处理，可以实现柚皮素与棉纤维之间的有效结合，形成稳定的P-O-C键，从而增强其在织物中的稳定性。

然而，要实现多功能纺织品的开发，不仅需要提升单一性能，还必须确保这些性能在多次洗涤和使用后仍能保持稳定。因此，研究团队提出了一种创新的表面工程策略，即将PDA与磷酸化柚皮素结合，形成NPDA@Cotton复合涂层。这种策略的优势在于，PDA和柚皮素在结构和功能上具有互补性，二者都含有苯环和酚羟基，这些结构能够协同增强阻燃性、紫外线屏蔽性能、光热响应和抗菌能力。此外，引入磷酸处理不仅促进了柚皮素与棉纤维之间的化学键合，还增强了涂层的附着力，使得NPDA@Cotton在多次洗涤后仍能保持其优异的性能。

在实验过程中，研究团队对NPDA@Cotton的热降解行为、阻燃性能、机械性能以及光热性能和紫外线防护能力进行了全面评估。结果显示，与原始棉纤维相比，NPDA@Cotton在垂直燃烧测试中表现出自熄特性，其极限氧指数（LOI）达到了33.3%，远高于普通棉纤维的水平。在锥形量热测试中，NPDA@Cotton的峰值热释放速率（PHRR）相比原始棉纤维降低了87.1%，总热释放量（THR）也减少了70.4%。这表明，NPDA@Cotton在阻燃性能方面具有显著优势，能够有效抑制燃烧过程，降低火灾风险。

在紫外线防护方面，NPDA@Cotton表现出极高的紫外线屏蔽性能，其紫外线透射率低于0.1%，紫外线防护因子（UPF）高达1898.1，远超普通棉纤维的防护能力。这一结果得益于PDA和柚皮素中丰富的芳香环和酚羟基结构，这些结构能够有效吸收和散射紫外线辐射，同时将光能转化为热能，从而实现光热转换。在模拟太阳辐射（1 kW/m2）条件下，NPDA@Cotton的表面温度可达到53.5°C，显示出良好的光热性能。

在抗菌性能方面，NPDA@Cotton对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抑制率分别达到了99.62%和89.81%。这一结果表明，该复合涂层不仅能够有效阻燃，还具备优异的抗菌能力，可以显著减少细菌在织物表面的生长，提高纺织品的卫生安全性。同时，研究团队还发现，NPDA@Cotton在经过50次洗涤循环后，其自熄性能和紫外线屏蔽能力几乎没有变化，说明其具有良好的耐久性。

机械性能的保持也是多功能纺织品开发的重要考量因素。NPDA@Cotton在经过表面改性后，其机械性能仍然保持良好，这表明改性过程不会对织物的物理结构造成显著破坏。这种性能的保持对于纺织品在实际应用中的耐久性和舒适性至关重要，尤其是在需要长期使用或频繁洗涤的场景下。

综上所述，这项研究提出了一种创新的多功能纺织品表面改性策略，成功地将PDA与磷酸化柚皮素结合，赋予棉织物优异的阻燃性、抗菌性、紫外线防护能力和光热转换能力。该策略不仅解决了传统阻燃剂带来的环境和健康问题，还通过化学键合的方式提高了涂层的耐久性，使其能够在实际使用中保持稳定性能。此外，该研究还为多功能纺织品的开发提供了新的思路，展示了通过生物启发材料和天然化合物结合来实现纺织品功能增强的可行性。未来，随着对多功能纺织品需求的不断增加，这种表面工程策略有望在防护服装、户外装备和智能纺织品等领域得到广泛应用。