Design and study of multifunctional fabrics

Fu, Can (2021). Design and study of multifunctional fabrics. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.69340.

Description

Title: Design and study of multifunctional fabrics
Author/s:
  • Fu, Can
Contributor/s:
  • Wang, De-Yi
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La creciente demanda para abordar de forma efectiva la inflamabilidad de las telas de algodón tienen como consecuencia el incremento sustancial de la aplicación de sistemas retardantes de llama (FR) a las mismas en los últimos años. Sin embargo, debido a la creciente necesidad de múltiples funcionalidades y aplicaciones sofisticadas, una combinación de varias propiedades se convierte en una tendencia de desarrollo para cumplir con las expectativas de los tejidos funcionales de alto rendimiento actuales. En particular, el desafío imprescindible para los tejidos funcionales es la solidez al lavado. Por lo tanto, con el objetivo de fabricar tejidos multifuncionales, se diseñó una nueva molécula retardante de llama para impartir propiedades de retardancia de llama e hidrófobas a los tejidos de algodón simultáneamente. Además, para abordar los problemas de durabilidad, se empleó la ingeniería de superficies mediante la introducción de polidopamina (PDA) como "pegamento molecular" para apilar los FR sobre el algodón de manera robusta. Finalmente, se realizaron tejidos multifuncionales con alto rendimiento y, al mismo tiempo, con una resistencia al lavado mejorada. Para ilustrar bien el mecanismo que subyace a la mejora de las propiedades de FR, autolimpieza, protección UV y durabilidad del lavado, se ha investigado sistemáticamente la influencia de la molécula funcional sintetizada en la descomposición de la celulosa, el papel del BiVO4 del capítulo 5 como nueva introducción en el proceso de carbonización catalítica, y la interacción entre la cubierta de PDA y la molécula de FR o el BiVO4 que conducen a la durabilidad. Los detalles del trabajo se presentan a continuación: En el capítulo 3, se prepararon recubrimientos funcionales no halogenados consistentes en fenilfosfinilo soluble en agua y silanol que contiene amina (WPAS), en los que los tejidos funcionales de algodón adquirieron propiedades FR e hidrofóbicas simultáneamente. Los tejidos funcionales recubiertos de WPAS preparados alcanzaron hasta un 30,4% de valor LOI (Índice de Oxígeno Limitante), y se extinguieron inmediatamente después de retirar el mechero en el ensayo de fuego vertical. Los radicales libres PO• liberados por el WPAS, que fueron detectados por TG-MS y TG-FTIR, capturaron radicales de alta energía como los radicales H• y HO• en la fase gaseosa. El estudio de los residuos de carbón a partir de los resultados de SEM, FTIR, Raman y XPS revelaron que se formó una capa de ceniza cerámica termoestable de P/Si/N y estructuras carbonosas aromáticas que podrían proporcionar un buen efecto barrera, impidiendo eficazmente la difusión de oxígeno y la transferencia de calor hacia la zona de llama. Además, el ángulo de contacto entre el agua y los tejidos de algodón funcionales aumentó hasta 145° en comparación con el de los tejidos de algodón virgen (0°). Como resultado, se mostraron propiedades de auto limpieza hidrofóbica hacia una serie de líquidos comunes en la vida diaria. Este método conveniente y ecológico de un solo paso es prometedor y factible para la producción a gran escala de tejidos de algodón funcionales con excelentes propiedades de FR y de auto limpieza hidrofóbica para aplicaciones industriales de uso final. En el Capítulo 4, las capas consistieron en ácido fenilfosfónico (PHA) y se depositó 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES) sobre algodón revestido con PDA mediante ensamblaje capa por capa (Layer-by-Layer, LbL). El algodón preparado alcanzó 31,4% del valor de LOI y se extinguió inmediatamente después de retirar el mechero. El pico de tasa de liberación de calor (pHRR) se atenuó alrededor del 36% en comparación con el del algodón puro. Se propuso una combinación de mecanismos de barrera y extinción para este sistema de FR. Además, se logró una mayor durabilidad del lavado (24,1% del valor de LOI) incluso después de 50 ciclos con detergente. En resumen, un enfoque fácil y mejorado de LbL fue el primero en proponerse para construir tejidos FR duraderos eficientes. Esta propuesta está basada en interacciones de apilamiento π − π entre las estructuras aromáticas abundantes de PDA y el anillo de benceno en el PHA de la capa LbL. En el Capítulo 5, BiVO4 y FR que contienen P se aplicaron al algodón con la ayuda de la PDA. Los tejidos preparados exhibieron una excelente propiedad FR con un valor de LOI del 29,7% y un comportamiento de autoextinción. Esta tela multifuncional mostró una notable propiedad de bloqueo de los rayos UV con un factor de protección ultravioleta (UPF) de 107. En particular, se demostró que BiVO4 mejora la retardancia de llama al cambiar la evolución de N tanto en la fase gaseosa como en la condensada. BiVO4 indujo la liberación de NH3, lo que resultó en la generación de una capa intumescente. Además, BiVO4 promovió el proceso de carbonización catalítica con formación de nitrógeno cuaternario como el estado de N más estable, asociado con las estructuras de carbón aromático polinuclear resultantes. La durabilidad del lavado de la tela preparada funcionó de manera adecuada manteniendo un valor de UPF de 105 y un valor de LOI de 22,6%, respectivamente, después de 50 procesos de lavado con detergente. Sin embargo, los tejidos multifuncionales se reciclaron como material de carbono funcional para degradar los contaminantes orgánicos mediante el uso de la luz solar como una aplicación de valor agregado adicional. Por lo tanto, los tejidos preparados no sólo funcionan como un poderoso escudo para la protección humana contra el fuego y la radiación UV, sino que también garantizan la sostenibilidad y la rentabilidad con un uso de valor agregado adicional mediante la calcinación. ----------ABSTRACT---------- The increasing demands to address the flammability of cotton fabrics, lead to a substantial growth of applying flame retardant (FR) systems to cotton fabrics in recent years. Nevertheless, due to the growing need for multiple functionalities and sophisticated applications, a combination of several properties become a development tendency in meeting expectations for today’s high-performance functional fabrics. Notably, everlasting challenge for functional fabrics is the washing fastness. Therefore, aiming to fabricate target multifunctional fabrics, a novel FR molecule was designed to impart cotton fabrics FR and hydrophobic properties simultaneously. Furthermore, in order to address the durability issues, surface engineering was constructed by introducing polydopamine (PDA) as a “molecular glue” to stack the FRs on cotton robustly. Finally, multifunctional fabrics with high-performance and simultaneously improved washing fastness was realised. To well illustrate mechanism behind the improved FR, self-cleaning, UV-protection properties and washing durability, influence of synthesized functional molecular to decomposition of cellulose, the role of BiVO4 in Chapter 5 as a new introduction in the catalytic charring process, and the interaction between PDA cover and FR molecular or BiVO4 which lead to durability have been systematically investigated. The details of the work are presented as follows: In Chapter 3, non-halogen functional coatings consisted of water-soluble phenylphosphinyl and amine-containing silanol (WPAS) were prepared, in which functional cotton fabrics embraced with FR and hydrophobic properties simultaneously. The prepared WPAS-coated functional fabrics reached as high as 30.4% for limiting oxygen index (LOI) value, and extinguished immediately after removing the ignitor in vertical fire test. PO• free radicals released by WPAS which was detected by TG-MS and TG-FTIR, captured radicals such as H• or HO• radicals in the gas-phase. The char residue study from SEM, FTIR, Raman and XPS results found that P/Si/N thermostable ceramic char layer and aromatic carbonaceous structures formed which could provide a good barrier effect, effectively hindering diffusion of oxygen and transferring of heat into the flame zone. Additionally, water contact angle of functional cotton fabrics increased to 145° compared with that of pristine cotton fabrics (0°). As a result, it displayed hydrophobic self-cleaning property towards a series of common liquids in daily life. This convenient, eco-friendly one-pot approach is promising, and feasible for large-scale production of functional cotton fabrics with both excellent FR and hydrophobic self-cleaning properties to end-use industrial applications. In Chapter 4, The layers consisted of phenylphosphonic acid (PHA) and 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) was deposited on PDA-coated cotton by Lay-by-Layer (LbL) assembly. The prepared cotton reached 31.4% of LOI value, and extinguished immediately after removing the ignitor. Peak of heat release rate (pHRR) attenuated around 36 % compared with that of pure cotton. A combined barrier and quenching mechanisms were proposed for this FR system. Moreover, enhanced washing durability (24.1% of LOI value) was achieved even after 50 detergent laundering cycles. To sum, a facile, boosted LbL approach with proposed of π−π stacking interactions between PDA abundant aromatic structures and benzene ring in PHA from LbL layer, was first to put forward to construct durable efficient FR fabrics. In Chapter 5, BiVO4 and P-containing FR were applied to cotton with assistant of PDA. The prepared fabrics exhibited excellent FR property with LOI value of 29.7% and self-extinguishing behavior. And this multifunctional fabric displayed remarkable UV-blocking property with ultraviolet protection factor (UPF) of 107. Notably, BiVO4 was proved to enhance flame retardancy by changing the N evolution in both gaseous and condensed phase. BiVO4 induced release of NH3, which resulted in the generation of intumescent layer. Moreover, BiVO4 promoted catalytic charring process with formation of quaternary nitrogen as the most stable N state, which was associated with resultant polynuclear aromatic char structures. Washing durability of prepared fabric performed well with maintaining UPF value of 105 and LOI value of 22.6% respectively after 50 detergent washing process. Furthermore, the multifunctional fabrics was recycled as functional carbon material to degrade organic pollutes by use of solar light as further value-added application. Therefore, the prepared fabrics not only functionalize as a powerful shield for human protection from fire and UV radiation, but also ensure sustainability and cost-effectiveness with further value-added usage by calcination.

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Item ID: 69340
DC Identifier: https://oa.upm.es/69340/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:69340
DOI: 10.20868/UPM.thesis.69340
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 11 Jan 2022 10:21
Last Modified: 11 Jan 2022 10:21
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