Structural barrier effect on cotton fabrics
Authors:   , Wu Qiuyue 
Published: November 2024

(English) Cotton, being a natural hollow fiber with remarkable economic values including moisture absorption, air permeability, softness, comfort, and warmth retention, has become one of the most essential raw materials for the textile industry. However, cotton fibers are inherently with high inflammability and low thermal stability. It’s promising to endow cotton with fire protection in order to broaden its application fields and reduce fire risks.
The novel halogen-free flame retardants (FRs) such as phosphorus-containing chemicals, metal hydroxides & metal oxides, and silicon-containing chemicals have been drawing a lot of research interest. 10-(2,5-dihydroxyphenyl)-9,10-dihydro-9-xa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (DOPO-HQ), made from the reaction of 9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (DOPO) and p-benzoquinone, is inherently with excellent chemical stability and heat resistance due to its own rigid aromatic structure and stable P-O-C bond. Metal–organic frameworks (MOFs) with high crystallinity and specific surface area are stable at high temperatures. During the thermal decomposition process, the metal oxides that are generated from MOF particles on the surface of cotton will act as a physical barrier to protect the substrate from further burning while also efficiently adsorbing gases and smoke. Tetraethyl orthosilicate (TEOS) can be utilized in combination with DOPO-HQ for P/Si synergistic effects and cross-link cotton fabrics through Si–O–Si network. It works as heat insulation and oxygen barrier by forming siliceous carbon layer and simultaneously helps reducing the overflow of flammable gases in combustion. Driven by current demand for fire safety and environmental protection, the structural barriers consisting of DOPO-HQ@UIO-66-COOH and TEOS were successfully assembled onto cotton fabrics through a facile approach in this thesis.
In chapter I, the general introduction, research objectives and experimental methodology of this thesis were described.
In chapter II, DOPO-HQ was investigated the impacts on the improvement of fire performances for cotton fabrics. It was desirable to discover the appropriate incorporation of DOPO-HQ for applying to cotton substrates. Two types of MOFs, Zr-based MOFs (UIO-66-COOH) and Zn-based MOFs (ZIF-8), were investigated and analyzed through a variety of testing results, which indicated that the use of UIO-66-COOH was more advantageous for developing barrier effects of cotton fabrics. The comparison of two synthetic approaches (layer-by-layer and hydrothermal synthesis) showed that the latter could provide more efficient introduction and production of UIO-66-COOH for the assembly of fire barriers onto cotton fabrics. DOPO-HQ was adequately incorporated into porous UIO-66-COOH support. DOPO-HQ@UIO-66-COOH composites dispersion were investigated and applied onto cotton fabrics, which exhibited positive effects on promoting the formation of protective carbonaceous layer and thus maintaining the original morphology of cotton fabrics in the burning process. Compared to pristine cotton, the treated cotton sample performed superior thermal stability and smoke suppression properties in terms of vertical burning test and thermal analysis. Furthermore, the structural barriers composed of DOPO-HQ@UIO-66-COOH and TEOS presented broad prospects for fire protection. It could substantially reduce the redundancy of application process and achieve excellent synergistic barrier effects when DOPO-HQ@UIO-66-COOH was utilized in combination with TEOS for cotton fabrics.
In chapter III, it was found by means of UV-vis spectroscopy that the absorption behavior of cotton tissue to DOPO-HQ@UIO-66-COOH at different temperatures was more in line with that to UIO-66-COOH, suggesting that the formation of DOPO-HQ@UIO-66-COOH composites with ultrasonic assistance was driven predominantly by UIO-66-COOH.
In chapter IV, the main conclusions and future perspectives were summarized.
(Español) El algodón, al ser una fibra hueca natural con notables valores económicos que incluyen absorción de humedad, permeabilidad al aire, suavidad, comodidad y retención del calor, se ha convertido en una de las materias primas más esenciales para la industria textil. Sin embargo, las fibras de algodón tienen, inherentemente, una alta inflamabilidad y una baja estabilidad térmica. resulta prometedor dotar al algodón de protección contra incendios para ampliar sus campos de aplicación y reducir los riesgos de incendio.
Los nuevos FR libres de halógenos, como los productos químicos que contienen fósforo, los hidróxidos metálicos, los óxidos metálicos, y los que contienen silicio, han despertado mucho interés en la industria. 10-(2,5-dihidroxifenil)-9,10-dihidro-9-xa-10-fosfafenantreno-10-óxido(DOPO-HQ), elaborado a partir de la reacción de 9,10-dihidro-9-oxa-10- fosfafenantreno-10-óxido (DOPO) y p-benzoquinona, es inherentemente con estabilidad química y resistencia al calor por su propia estructura aromática rígida y enlace P-O-C estable. Las bases metalorgánicas (MOF) con alta cristalinidad y superficie específica son estables a altas temperaturas. Durante el proceso de descomposición térmica, los óxidos metálicos que se generan a partir de las partículas de MOF en algodón, actuarán como una barrera física para proteger el sustrato de mayor combustión y, al mismo tiempo, absorber de manera eficiente los gases y el humo. El ortosilicato de tetraetilo (TEOS) se puede utilizar en combinación con DOPO-HQ para efectos sinérgicos de P/Si y telas de algodón a través de la red Si-O-Si. Funciona como aislamiento térmico y barrera al oxígeno al formar una capa de carbón silíceo y, al mismo tiempo, ayuda a reducir los gases inflamables en la combustión. Impulsado por la demanda actual de seguridad contra incendios y protección ambiental, las barreras estructurales que consisten en DOPO-HQ@UIO-66-COOH y TEOS se ensamblaron con éxito en tejidos de algodón a través de un enfoque sencillo en esta tesis.
En el capítulo I, la introducción general, los objetivos de investigación y la metodología experimental de esta tesis.
En el capítulo II, DOPO-HQ se estudia la mejora del comportamiento frente al fuego de los tejidos de algodón. Estudiar la incorporación adecuada de DOPO-HQ para aplicar sobre sustratos de algodón e investigar y analizar dos tipos de MOF: basados en Zr (UIO-66-COOH) y en Zn (ZIF-8), a través de una variedad de pruebas, cuyos resultados indican que, el uso de UIO- 66-COOH es más ventajoso para los efectos de barrera en tejidos de algodón. La comparación de dos enfoques sintéticos (capa por capa y síntesis hidrotermal) mostró que este último podría dar una introducción y producción más eficiente de UIO-66-COOH para mejorar barreras contra incendios en algodón. Se incorporó adecuadamente DOPO-HQ al soporte poroso UIO-66-COOH. La dispersión de compuestos DOPO-HQ@UIO-66-COOH se aplicó sobre tejidos de algodón, lo que mostró efectos positivos en la mejora de la formación de una capa protectora de carbono y, por lo tanto, en el mantenimiento de la morfología original de los tejidos de algodón en el proceso de combustión. En comparación con el algodón prístino, el algodón tratado, tuvo una estabilidad térmica superior y de supresión de humo en prueba de combustión vertical y análisis térmico. Además, las barreras estructurales compuestas por DOPO-HQ@UIO-66-COOH y TEOS presentaban amplias perspectivas para la protección contra incendios. Cuando se utilizó DOPO-HQ@UIO-66-COOH en combinación con TEOS para tejidos de algodón.
En el capítulo III se encontró, mediante espectroscopía UV-vis, que el comportamiento de absorción del tejido de algodón a DOPO-HQ@UIO-66-COOH a diferentes temperaturas estaba más acorde con el de UIO-66-COOH, sugiriendo que la formación de compuestos DOPO-HQ@UIO-66-COOH con asistencia ultrasónica, mejora la formación de UIO-66-COOH. En el capítulo IV se resumieron las principales conclusiones y perspectivas futuras.