DNA水溶膠對聚乳酸織物的阻燃整理

夏雙雙++++吳麗++++皮婷婷+++++廖惠萍++++馬輝

摘要：根據DNA特有的雙螺旋結構和其大量的磷氮含量優勢，將DNA制備成均勻的水溶膠，并通過一定的工藝將其整理到聚乳酸織物上，得到具有阻燃效果的聚乳酸面料。通過對DNA的分子結構進行分析，并利用水平燃燒、拉伸強力、接觸角等測試儀器對聚乳酸織物進行阻燃性能、力學性能以及潤濕性能測試。結果表明，DNA的引入能有效地改善聚乳酸織物的阻燃性能，整理過的織物潤濕性能也得到改善，提高了聚乳酸織物的舒適性。本試驗研究有利于聚乳酸織物的進一步發展和應用。

關鍵詞：聚乳酸；DNA；阻燃整理

聚乳酸纖維是以玉米、小麥等為原料而提煉出來的一種纖維。該纖維不使用石油，具有很好的生物降解性、生物相容性和生物可吸收性，并兼具合成纖維與天然纖維的優良力學性能，受到越來越廣泛的關注，是一種可持續發展的生態纖維。但聚乳酸織物易燃，燃燒時產生大量的熱量和煙霧，并極易助長火勢導致火災蔓延，給人類的生產、生活乃至生命造成了嚴重的危害，在一定程度上限制了聚乳酸織物的發展及廣泛應用[1]。

目前應用于織物阻燃整理的主要有無機阻燃劑（氫氧化鋁、氫氧化鎂等）、鹵系阻燃劑等，大量的應用事實證明，無機阻燃劑阻燃效率低，與聚合物基體相容性較差，且一定程度上影響織物的手感，而鹵系阻燃劑熱解會釋放出有害有毒氣體，易造成二次傷害，使得無機阻燃劑以及鹵系阻燃劑的應用受到極大的限制[2-3]。研究及開發出綠色環保、性能優良的新型織物阻燃整理劑顯得尤為重要。DNA是一種同時含有大量P、N的長鏈聚合物，可起到磷-氮協同阻燃的作用，而DNA雙螺旋鏈受到熱量攻擊時又會吸收大量的熱，經一定工藝處理，可賦予聚乳酸織物良好的阻燃效果。

本試驗根據DNA特有的磷-氮體系特征及其雙螺旋結構特點，將其制備成性能穩定的水溶膠，并通過浸軋工藝對聚乳酸織物進行浸軋整理，對制備的阻燃聚乳酸織物進行阻燃性能、拉伸強力、潤濕性能測試和表征。

1 試驗

1.1 織物、材料和儀器

織物：聚乳酸織物。

材料：商品化DNA。

儀器：軋車、磁力攪拌儀、鼓風烘燥箱、拉伸強力測試儀、接觸角測量儀。

1.2 整理工藝

1.2.1 聚乳酸織物的準備

準備一定大小的聚乳酸織物，清洗、烘干待用。

1.2.2 阻燃水溶膠的制備

將5 g/L、10 g/L、15 g/L、20 g/L的DNA分別緩慢加入至水中，配制成浴比1：20的水溶膠，并在40℃的溫水浴中加以攪拌使其均勻混合。

1.2.3 復合整理工藝

使用攪拌均勻的DNA水溶膠對聚乳酸織物浸軋整理，并將軋余率控制在70%～80%左右，均勻浸軋后的織物于50℃烘箱中烘干，得到整理好的聚乳酸織物（A：聚乳酸原布；B：5g/L DNA處理的聚乳酸織物； C：10g/L DNA處理的聚乳酸織物； D：15g/L DNA處理的聚乳酸織物）。

1.3 織物性能測試

（1）根據JIS L1091-1999，研究DNA對聚乳酸織物的水平防護性能，根據最終炭化面積評定其阻燃效果。

（2）根據GB/T 3923.1織物拉伸測試方法，利用拉伸強力測試儀 [YG（B）026H- 250型，溫州大榮紡織儀器有限公司]對整理織物進行強力測試，研究DNA的引入對聚乳酸織物強力的影響：

預加張力：5N；起拉力值：3N；拉伸速度：100mm/min；夾距：30mm；量程：2500N；試樣寬度：50mm。

（3）根據BS 4554-1970紡織織物潤濕度的試驗方法，利用接觸角測試儀對整理織物進行潤濕性能測試，根據接觸角評定織物的潤濕性能，探究DNA 對聚乳酸織物親水或防水性能的影響。

2 結果與討論

2 1 DNA結構分析

圖1 DNA分子結構示意圖

如圖1所示， DNA分子中含有大量的磷元素和氮元素，在受到熱量攻擊時，可起到協同阻燃的作用。同時，DNA具有特殊的雙螺旋結構，這種特殊結構使得DNA受熱時解聚形成兩個單鏈，消耗大量的熱量，從而實現阻燃效果。

2.2 復合整理聚乳酸織物的阻燃性能

圖2 不同濃度的DNA溶膠整理聚乳酸織物水平

燃燒后照片

表1 聚乳酸織物經過不同濃度的DNA溶膠組裝后燃燒的炭化面積

從圖2中可以看出，聚乳酸原布損毀面積較大。隨著DNA 的引入，織物的炭化面積有了一定程度的降低，且隨著DNA濃度的增加，損毀面積漸漸變小。如表1所示，未經處理的聚乳酸織物炭化面積為5.2cm?，布樣損毀面積較大；5g/L的DNA組裝織物炭化面積為2.0 cm?，與未經處理的織物相比有較大的改善；10g/L的DNA和15g/L的DNA組裝的織物炭化面積分別為1.54cm?和1.52cm?，從數據可以看出，當DNA濃度達到10g/L時，損毀面積已減小至一定程度，DNA濃度繼續增大到15g/L時損毀面積不再明顯變化。說明經過整理的聚乳酸織物具有更好的抵抗火焰燃燒的能力，但DNA的量增加到一定量時，繼續增大濃度對織物燃燒性能不再有更進一步的影響。

經過處理的織物阻燃性能提升主要是由于以下兩點：

（1）DNA中大量的磷、氮元素在燃燒過程中起到協同阻燃的作用，在磷-氮復合體系中，磷作為酸源，高溫受熱情況下可以分解出促進隔熱炭層在聚合物表面形成；氮則作為氣源，在熱分解過程中釋放不可燃氣體，可使上述炭層膨脹發泡，并最終形成膨脹炭層。膨脹炭層可有效隔絕物質交換和熱交換，從而達到良好的阻燃效果[4]。

（2）DNA分子為特殊的雙螺旋結構，受熱時織物表面的DNA發生解聚效應，雙螺旋打開形成單鏈需要吸收大量的熱，從而分散了燃燒織物表面的熱量，研究表明其吸收的熱量高達18000 kcal/mol，能有效地降低織物表面的溫度，實現優異的阻燃效果[5-6]。

2.3 復合整理聚乳酸織物的拉伸性能

表2 處理前后聚乳酸織物的斷裂拉伸強力

從表2可以看出，聚乳酸原布的拉伸強力為190.23N，少量DNA的引入可在一定程度上提高織物的強力，可能是由于DNA在纖維表面形成薄膜所致。隨著DNA用量的提高，織物的強力略有下降，主要是由于DNA呈弱酸性，在阻燃整理過程中，促使聚乳酸纖維表面部分分解，導致織物的強力下降。

2.4 復合整理聚乳酸織物的潤濕性能

圖3 不同濃度DNA溶膠整理聚乳酸織物的潤濕性能測試數據及照片

從圖3可以看出，聚乳酸原布的接觸角為87°，表現出一定的憎水性；加入5g/L DNA的織物A接觸角為86°，與原布相比親水性得到改善，而隨著DNA含量的增加，接觸角分別為81.5°及81.1°，逐漸變小，表明織物潤濕性能越好。這是因為DNA分子中含有大量的極性基團（氨基、羥基、磷酸基等），結合在織物表面后使得聚乳酸織物親水性也得到改善，提高了聚乳酸在服裝應用方面的舒適性。但DNA的量增加到10g/L時，再增加DNA的量，織物的潤濕性能已不再發生明顯變化，這是因為包覆在織物表面的DNA 中的極性基團與織物的結合已基本達到飽和。

3 結論

本研究利用DNA溶膠對聚乳酸織物進行阻燃整理，并對阻燃整理的聚乳酸織物進行了結構分析與性能表征。水平燃燒測試結果表明，與原布相比，經過整理的織物炭化面積明顯減小，且隨著DNA含量的增加，炭化面積減小更多，阻燃性能更優異，主要是由于織物上大量結合的DNA在受熱時可發生協同阻燃，并通過吸收體系的熱量達到較好的阻燃效果。拉伸強力測試表明，少量DNA的引入可在一定程度上提高織物的強力，DNA用量的進一步提升反而會降低織物的強力。另外，接觸角測試表明，DNA的引入可以增加聚乳酸織物的親水性，有利于提高聚乳酸織物的服用舒適性，擴展了其應用范圍。

參考文獻：

[1]林海娟，方建勇，董麗松.聚乳酸阻燃性能的研究進展[J].高分子通報，2012， （3）：45-52.

[2]常少坤，任杰.聚乳酸的阻燃改性研究進展[J].塑料， 2010，36（2）：85-88.

[3]陳雅君，毛小軍，王超，等.聚乳酸的阻燃改性研究進展[J].中國塑料，2015，39（4）：1-8.

[4]李松，顏紅俠，馮書耀，等.含磷協同阻燃劑的研究進展[J].熱固性樹脂，2015，30（4）：59-63.

[5]宣善勇，張向南，胡源，等.生物可降解聚乳酸材料阻燃研究進展[J].塑料科技，2011，39（5）：124-127.

[6]Pradhan， S. M.， Katti， K. S.， Katti， D. R. Structural hierarchycontrols deformation behavior of collagen[J]. Biomacromolecules，2012， 13（8）：2562-2569.

（作者單位：夏雙雙、皮婷婷、廖惠萍、馬輝，嘉興學院材料與紡織工程學院；吳麗，嘉興國家羊絨產品質量監督檢驗中心）