基于N-丙烯酰甘氨酸化学功能化策略增强棉织物阻燃性研究

本刊推荐：为解决传统棉用阻燃剂环境毒性高、耐久性差的问题，意大利米兰大学研究团队通过N-丙烯酰甘氨酸(NAG)的氧杂-Michael加成反应，在棉纤维表面构建共价接枝的阻燃功能层。研究证实3%和6%接枝率的COT-g-NAG3/COT-g-NAG6样品在水平燃烧测试中实现自熄，残炭率分别达32%和79%，且热氧化稳定性在350–450?°C显著提升。该绿色改性策略为氨基酸基丙烯酰胺类阻燃剂的分子设计提供了新范式。

　　

棉纤维作为天然纤维素纺织品，因其柔软透气特性被广泛应用于服装、家纺及医疗领域。然而其极限氧指数(LOI)仅为16–18%，属于高度易燃材料，据统计多数室内火灾与棉织物燃烧有关。传统阻燃剂如四羟甲基氯化磷(Proban?)和N-羟甲基二烷基膦丙酰胺(Pyrovatex?)虽能有效抑燃，但在生产和使用过程中会释放甲醛等有毒物质，且燃烧时产生浓烟，不符合欧盟REACH法规对无卤无甲醛制剂的要求。近年来虽开发出有机、无机及杂化阻燃体系，但仍存在环境毒性或高添加量影响织物物理性能的问题。

针对上述挑战，意大利米兰大学的Jenny Alongi团队在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》发表研究，提出通过N-丙烯酰甘氨酸(N-acryloylglycine, NAG)对棉织物进行化学功能化改性。该设计灵感源于聚酰胺胺(PAA)类阻燃剂M-GLY的重复单元结构——其含有的仲酰胺和羧基官能团被证实可通过膨胀阻燃机制有效保护基材。研究人员假设将结构类似的NAG分子通过共价接枝方式固定于棉纤维表面，既可模拟M-GLY的热分解行为，又能通过化学键合提升耐洗耐久性。

研究采用NAG与棉纤维在碱性条件下发生氧杂-Michael加成反应，在50°C温和条件下制备了接枝率为3%和6%的COT-g-NAG₃和COT-g-NAG₆样品。通过固态核磁共振(ssNMR)验证了NAG的成功接枝，X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)证实改性未破坏纤维晶体结构和形貌。热重分析(TGA)显示改性样品在350–450°C区间的热氧化稳定性显著提升。燃烧测试表明COT-g-NAG₆在水平燃烧测试(HFST)中实现自熄并保留79%残炭，其炭层呈现典型膨胀材料的多孔结构。

关键技术方法包括：1）通过水相合成法制备NAG单体；2）采用碱激活棉纤维羟基后与NAG进行氧杂-Michael加成反应；3）运用固态¹³C/¹⁵N CP-MAS NMR定量分析接枝率；4）通过XRD和SEM表征晶体结构与形貌完整性；5）利用热重分析仪进行氮气/空气氛围热分解行为研究；6）执行水平/垂直燃烧测试(UFST/VFST)评估阻燃性能。

3.1 N-丙烯酰甘氨酸合成

通过 glycine 与 acryloyl chloride 在 NaOH 水溶液中于-5–0°C反应，经酸化沉淀获得白色NAG粉末，产率46.5%，其结构经¹H-/¹³C-NMR及二维谱图验证。

3.2 棉表面功能化

采用含3.5 wt% NaOH的NAG水溶液浸渍棉织物，密封聚丙烯袋中50°C反应24小时。重力法测定接枝率时，对碱处理导致的棉纤维质量损失进行+1.5 wt%校正。FT-IR显示1635 cm^-1处出现酰胺特征峰，¹³C CP-MAS谱中176 ppm处羧基/酰胺羰基信号证实接枝成功。

3.3 形态与结构分析

XRD显示接枝样品保持纤维素I型晶体结构，结晶度指数仅从64%（棉）降至61%（COT-g-NAG₆）。SEM图像显示纤维表面平滑无腐蚀，螺旋状原纤结构得以保留。

3.4 热重分析

氮气氛围下COT-g-NAG₆在800°C残炭率达15%（棉仅为4.5%）。空气中350°C热氧化处理后，棉纤维完全粉化，而COT-g-NAG₆残留纤维状炭层，电镜显示表面覆盖亚微米级气泡，证实膨胀行为。

3.5 燃烧测试

水平燃烧测试中COT-g-NAG₆自熄后残炭率达79%，燃烧速率降至0.55 mm/s（棉为0.98 mm/s）。残炭微观呈现多孔蜂窝结构，与M-GLY涂层相似。垂直燃烧测试中虽未自熄，但炭层保持完整。

3.6 膨胀阻燃机制

NAG接枝链段在热分解时释放非可燃气体（水、CO₂、NH₃），同时羧基促进纤维素脱水炭化，形成膨胀炭层隔绝热量与氧气。该机制与含磷氮膨胀体系相似，但避免了磷卤素的环境风险。

本研究证实NAG化学接枝策略可赋予棉织物高效阻燃性，6%接枝率即可在水平燃烧中实现自熄。共价键合方式解决了传统涂层耐洗性差的问题，减少了环境释放风险。通过模拟M-GLY重复单元结构，实现了低添加量下的膨胀阻燃效果，为氨基酸基丙烯酰胺类阻燃剂的分子设计提供了新思路。该绿色改性技术不仅保持棉纤维固有物理性能，更为可持续纺织品开发提供了关键技术支撑。