DNA水溶胶对聚乳酸织物的阻燃整理

夏双双++++吴丽++++皮婷婷+++++廖惠萍++++马辉

摘要：根据DNA特有的双螺旋结构和其大量的磷氮含量优势，将DNA制备成均匀的水溶胶，并通过一定的工艺将其整理到聚乳酸织物上，得到具有阻燃效果的聚乳酸面料。通过对DNA的分子结构进行分析，并利用水平燃烧、拉伸强力、接触角等测试仪器对聚乳酸织物进行阻燃性能、力学性能以及润湿性能测试。结果表明，DNA的引入能有效地改善聚乳酸织物的阻燃性能，整理过的织物润湿性能也得到改善，提高了聚乳酸织物的舒适性。本试验研究有利于聚乳酸织物的进一步发展和应用。

关键词：聚乳酸；DNA；阻燃整理

聚乳酸纤维是以玉米、小麦等为原料而提炼出来的一种纤维。该纤维不使用石油，具有很好的生物降解性、生物相容性和生物可吸收性，并兼具合成纤维与天然纤维的优良力学性能，受到越来越广泛的关注，是一种可持续发展的生态纤维。但聚乳酸织物易燃，燃烧时产生大量的热量和烟雾，并极易助长火势导致火灾蔓延，给人类的生产、生活乃至生命造成了严重的危害，在一定程度上限制了聚乳酸织物的发展及广泛应用[1]。

目前应用于织物阻燃整理的主要有无机阻燃剂（氢氧化铝、氢氧化镁等）、卤系阻燃剂等，大量的应用事实证明，无机阻燃剂阻燃效率低，与聚合物基体相容性较差，且一定程度上影响织物的手感，而卤系阻燃剂热解会释放出有害有毒气体，易造成二次伤害，使得无机阻燃剂以及卤系阻燃剂的应用受到极大的限制[2-3]。研究及开发出绿色环保、性能优良的新型织物阻燃整理剂显得尤为重要。DNA是一种同时含有大量P、N的长链聚合物，可起到磷-氮协同阻燃的作用，而DNA双螺旋链受到热量攻击时又会吸收大量的热，经一定工艺处理，可赋予聚乳酸织物良好的阻燃效果。

本试验根据DNA特有的磷-氮体系特征及其双螺旋结构特点，将其制备成性能稳定的水溶胶，并通过浸轧工艺对聚乳酸织物进行浸轧整理，对制备的阻燃聚乳酸织物进行阻燃性能、拉伸强力、润湿性能测试和表征。

1 试验

1.1 织物、材料和仪器

织物：聚乳酸织物。

材料：商品化DNA。

仪器：轧车、磁力搅拌仪、鼓风烘燥箱、拉伸强力测试仪、接触角测量仪。

1.2 整理工艺

1.2.1 聚乳酸织物的准备

准备一定大小的聚乳酸织物，清洗、烘干待用。

1.2.2 阻燃水溶胶的制备

将5 g/L、10 g/L、15 g/L、20 g/L的DNA分别缓慢加入至水中，配制成浴比1：20的水溶胶，并在40℃的温水浴中加以搅拌使其均匀混合。

1.2.3 复合整理工艺

使用搅拌均匀的DNA水溶胶对聚乳酸织物浸轧整理，并将轧余率控制在70%～80%左右，均匀浸轧后的织物于50℃烘箱中烘干，得到整理好的聚乳酸织物（A：聚乳酸原布；B：5g/L DNA处理的聚乳酸织物； C：10g/L DNA处理的聚乳酸织物； D：15g/L DNA处理的聚乳酸织物）。

1.3 织物性能测试

（1）根据JIS L1091-1999，研究DNA对聚乳酸织物的水平防护性能，根据最终炭化面积评定其阻燃效果。

（2）根据GB/T 3923.1织物拉伸测试方法，利用拉伸强力测试仪 [YG（B）026H- 250型，温州大荣纺织仪器有限公司]对整理织物进行强力测试，研究DNA的引入对聚乳酸织物强力的影响：

预加张力：5N；起拉力值：3N；拉伸速度：100mm/min；夹距：30mm；量程：2500N；试样宽度：50mm。

（3）根据BS 4554-1970纺织织物润湿度的试验方法，利用接触角测试仪对整理织物进行润湿性能测试，根据接触角评定织物的润湿性能，探究DNA 对聚乳酸织物亲水或防水性能的影响。

2 结果与讨论

2 1 DNA结构分析

图1 DNA分子结构示意图

如图1所示， DNA分子中含有大量的磷元素和氮元素，在受到热量攻击时，可起到协同阻燃的作用。同时，DNA具有特殊的双螺旋结构，这种特殊结构使得DNA受热时解聚形成两个单链，消耗大量的热量，从而实现阻燃效果。

2.2 复合整理聚乳酸织物的阻燃性能

图2 不同浓度的DNA溶胶整理聚乳酸织物水平

燃烧后照片

表1 聚乳酸织物经过不同浓度的DNA溶胶组装后燃烧的炭化面积

从图2中可以看出，聚乳酸原布损毁面积较大。随着DNA 的引入，织物的炭化面积有了一定程度的降低，且随着DNA浓度的增加，损毁面积渐渐变小。如表1所示，未经处理的聚乳酸织物炭化面积为5.2cm?，布样损毁面积较大；5g/L的DNA组装织物炭化面积为2.0 cm?，与未经处理的织物相比有较大的改善；10g/L的DNA和15g/L的DNA组装的织物炭化面积分别为1.54cm?和1.52cm?，从数据可以看出，当DNA浓度达到10g/L时，损毁面积已减小至一定程度，DNA浓度继续增大到15g/L时损毁面积不再明显变化。说明经过整理的聚乳酸织物具有更好的抵抗火焰燃烧的能力，但DNA的量增加到一定量时，继续增大浓度对织物燃烧性能不再有更进一步的影响。

经过处理的织物阻燃性能提升主要是由于以下两点：

（1）DNA中大量的磷、氮元素在燃烧过程中起到协同阻燃的作用，在磷-氮复合体系中，磷作为酸源，高温受热情况下可以分解出促进隔热炭层在聚合物表面形成；氮则作为气源，在热分解过程中释放不可燃气体，可使上述炭层膨胀发泡，并最终形成膨胀炭层。膨胀炭层可有效隔绝物质交换和热交换，从而达到良好的阻燃效果[4]。

（2）DNA分子为特殊的双螺旋结构，受热时织物表面的DNA发生解聚效应，双螺旋打开形成单链需要吸收大量的热，从而分散了燃烧织物表面的热量，研究表明其吸收的热量高达18000 kcal/mol，能有效地降低织物表面的温度，实现优异的阻燃效果[5-6]。

2.3 复合整理聚乳酸织物的拉伸性能

表2 处理前后聚乳酸织物的断裂拉伸强力

从表2可以看出，聚乳酸原布的拉伸强力为190.23N，少量DNA的引入可在一定程度上提高织物的强力，可能是由于DNA在纤维表面形成薄膜所致。随着DNA用量的提高，织物的强力略有下降，主要是由于DNA呈弱酸性，在阻燃整理过程中，促使聚乳酸纤维表面部分分解，导致织物的强力下降。

2.4 复合整理聚乳酸织物的润湿性能

图3 不同浓度DNA溶胶整理聚乳酸织物的润湿性能测试数据及照片

从图3可以看出，聚乳酸原布的接触角为87°，表现出一定的憎水性；加入5g/L DNA的织物A接触角为86°，与原布相比亲水性得到改善，而随着DNA含量的增加，接触角分别为81.5°及81.1°，逐渐变小，表明织物润湿性能越好。这是因为DNA分子中含有大量的极性基团（氨基、羟基、磷酸基等），结合在织物表面后使得聚乳酸织物亲水性也得到改善，提高了聚乳酸在服装应用方面的舒适性。但DNA的量增加到10g/L时，再增加DNA的量，织物的润湿性能已不再发生明显变化，这是因为包覆在织物表面的DNA 中的极性基团与织物的结合已基本达到饱和。

3 结论

本研究利用DNA溶胶对聚乳酸织物进行阻燃整理，并对阻燃整理的聚乳酸织物进行了结构分析与性能表征。水平燃烧测试结果表明，与原布相比，经过整理的织物炭化面积明显减小，且随着DNA含量的增加，炭化面积减小更多，阻燃性能更优异，主要是由于织物上大量结合的DNA在受热时可发生协同阻燃，并通过吸收体系的热量达到较好的阻燃效果。拉伸强力测试表明，少量DNA的引入可在一定程度上提高织物的强力，DNA用量的进一步提升反而会降低织物的强力。另外，接触角测试表明，DNA的引入可以增加聚乳酸织物的亲水性，有利于提高聚乳酸织物的服用舒适性，扩展了其应用范围。

参考文献：

[1]林海娟，方建勇，董丽松.聚乳酸阻燃性能的研究进展[J].高分子通报，2012， （3）：45-52.

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

[3]陈雅君，毛小军，王超，等.聚乳酸的阻燃改性研究进展[J].中国塑料，2015，39（4）：1-8.

[4]李松，颜红侠，冯书耀，等.含磷协同阻燃剂的研究进展[J].热固性树脂，2015，30（4）：59-63.

[5]宣善勇，张向南，胡源，等.生物可降解聚乳酸材料阻燃研究进展[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.

（作者单位：夏双双、皮婷婷、廖惠萍、马辉，嘉兴学院材料与纺织工程学院；吴丽，嘉兴国家羊绒产品质量监督检验中心）