纺织品用生物大分子绿色阻燃剂外文翻译资料

 2023-01-04 11:41:31

纺织品用生物大分子绿色阻燃剂

原文作者：Santanu Basak, S. Wazed Ali

摘要：由于聚合物纺织品阻燃剂的毒性、致癌性以及用于开发此类新型整理剂所产生的相关废水问题，就生物体而言，该阻燃领域正面临着众多挑战，因此，研究人员进行了大量的创新研究以解决这些关键问题。最近不同的生物大分子也进入了阻燃的领域，本文综述了不同生物大分子（蛋白质，植物，淀粉，壳聚糖等）对聚合物阻燃性的最新研究成果，并详细描述了其背后的热稳定机制。此外，本文还对生物大分子和聚合物的热降解、结构组成进行了简要说明，介绍了生物大分子阻燃聚合物时的降解机理，并对不同生物大分子赋予织物不同的阻燃效果进行了对比总结，同时还探讨了这些新型生物大分子在聚合物材料阻燃领域的应用优势及所面临的挑战。

关键词：生物大分子、热降解、阻燃性

目 录

1. 介绍 2

2.植物基本生物大分子 3

2.1 香蕉假茎液和菠菜汁：结构成分和热行为 3

2.2基于蛋白质的生物高分子：结构组成和热稳定性 4

2.2.1 鸡的羽毛 4

2.2.2乳清蛋白和酪蛋白 4

2.2.3疏水蛋白 5

2.2.4脱氧核糖核酸 5

2.2.5其他生物分子：结构组成和热稳定性 6

2.2.5.1 壳聚糖 6

2.2.5.2淀粉 6

3.生物分子在纺织品材料上的应用 7

3.1由植物基本大分子赋予的阻燃性 7

3.2由蛋白质基本生物分子赋予的阻燃性 11

3.2.1DNA生物分子 11

3.2.2鸡羽毛的基本生物高分子 14

3.2.3乳清蛋白、酪蛋白和疏水蛋白基本生物高分子 15

4. 不同蛋白质生物高分子处理材料的比较 18

5.淀粉组成的基本生物高分子赋予的阻燃性 18

6.由壳聚糖生物大分子赋予的阻燃性 19

7.结论与未来 21

致谢 21

参考文献 21

1.介绍

在纺织品中最简单和常见的阻燃化学品是无机盐，硼砂和硼酸混合物[1]，磷酸氢气铵，尿素，ATO / BrFr配剂，以及其他不同的磷、氮硫衍生物，棉织物阻燃剂CP，四羟甲基氯化磷（THPC）等[2,3]。用于诸如黄麻纺织品等木质纤维材料的阻燃剂主要有氨基磺酸铵、罗谢尔盐（酒石酸钾钠）、焦磷酸四钠、有机硫（通常使用硫代脲）、硅酸钠、磷酸二铵 - 脲组合物等[4-7]。含有锑与卤素的化合物（通常是溴化有机分子）对于用做合成纺织品的木质纤维材料也具有良好的阻燃性。由于具有低成本和耐久的阻燃效果的优势， ATO / BrFr复配物对纤维材料是最具商业价值的阻燃剂之一。然而在过去的20年里，人们一直在关注环境问题，由于一些政治因素和压力，减少了他们的使用[8]。因此，磷和磷氮基阻燃化学品替代了ATO / BrFr在市场上的主导地位。磷/氮基物质具有耐洗涤性（甚至可以超过50次洗涤）。因此，由磷，氮组成的耐用阻燃剂，如氯化鏻盐[proban（R）process]和N-烷基磷酰杉酰胺[丙酮酸（R）]衍生物在商业上被广泛使用[8]。但是，这些化学物质会破坏织物的物理性质并且添加此类阻燃剂会使织物变得非常硬，这是大多数阻燃剂应用于棉花纺织品所出现的问题。大多数阻燃剂分子含有20％的磷和氮，而棉织物的阻燃需要2-3％的磷和1-2％的氮。由于过多的附加物，使处理过的织物（附加物百分数gt; 10％）变得更硬。与之相比，DNA处理过的织物也有很高的附加物百分数，需要使用较大量的化学品（pyrovatex-450gpl）制备，费用也很昂贵，在使用过程中，由于有甲醛的释放也存在危险。很明显，阻燃剂研究人员面临的主要挑战是开发更具成本效益，更环保和绿色的阻燃化学品。为此，研究者们一直试图使用丁烷四羧酸作为粘合剂，采用纳米氧化锌为基础的阻燃剂配方来减少甲醛的释放[9]，[10]。以硅烷醇，五氧化二磷和二乙醇胺为原料，以封端异氰酸酯和六亚甲基醇胺（HMM）为交联剂[11]，可以合成出不释放甲醛的用于纤维的阻燃剂。在最近的一项研究中，Rault等人通过次膦酸盐和三聚氰胺氰脲酸盐的复配开发出了用于纺丝浴中的聚丙烯阻燃剂，它没有卤素，在加工过程中也不会释放任何甲醛[12]。据Dong等人的报道，添加18.6％的含有胍基和磷的聚硅氧烷（GPPDMS）就可对棉织物具有阻燃性，而阻燃效果的产生是由于存在于GPPDMS涂层中的磷、硅等元素阻碍了纤维素挥发性有机物的生成，并通过凝聚相机理促进了炭的形成[13]。同时，毒性较小，具有发泡性能的膨胀型阻燃剂，即燃烧成炭时能形成密集、稳定、多孔泡沫固体的，如聚磷酸铵，支链聚乙烯亚胺的也进入了市场[14]。但是，大部分泡沫阻燃剂采用的是非耐久的、价廉的化学品，且所需的添加量较大。因此，显然有必要寻找其他可持续的阻燃方法以克服上述所有缺陷。在此过程中，一些研究人员开始探索用可持续的方法制备材料阻燃剂，他们使用不同的生物大分子作为阻燃剂以替代合成化学品，并取得了良好的研究成果。他们的结果已发表在[15-17]的科学期刊上。为此，Alongi等人最近对基于蛋白质的生物分子(DNA、酪蛋白、疏水蛋白、乳清蛋白等)在纺织材料阻燃方面的研究成果进行了全面的综述[18]。此外，该团队还对淀粉生物分子作为热稳定剂的应用进行了报道 [19]。中国的一个研究小组报道了利用鸡毛为基础的生物分子对棉织物进行的热稳定性研究[20]。我们在印度的研究组从过去三年开始也积极参与到该新领域的研究，并报道了利用不同废弃植物的生物大分子(菠菜、香蕉假茎汁液等)对纺织、造纸、羊毛等高分子材料进行的阻燃整理效果[21-24]。本文从该角度出发，综述了近年来国内外在利用不同植物、蛋白质、淀粉、壳聚糖等生物大分子对纺织材料进行阻燃改性方面的研究进展，此外，context部分还提供了关于不同生物分子的常规用法、热稳定性的详细信息，并对所制备的生物大分子纺织品的热性能进行了比较，指出了这一新兴阻燃领域的技术优势、局限性和发展方向。

2.植物基本生物大分子

2.1香蕉假茎液和菠菜汁：结构成分和热行为

香蕉假茎液（BPS）是从香蕉树（Musa Cavendish）假茎中提取出来的。如图1（A）所示，它用水萃取后为无色。然而，由于氧化芳香酚醛环的存在，随着时间的推移它会变成天然卡其色。在碱性条件下，天然卡其色的BPS会变得更暗，在酸性条件下它会变得更趋无色[25,26]。另一方面，菠菜汁（SJ）是从菠菜植物（Spinacia Oleracea）的肉质绿叶中提取，如图1（B）所示。 SJ看起来为深绿色，由于存在叶绿素，黄酮类等，其提取后pH值立即呈中性。但是，随着时间的推移，室温导致耐光性差黄酮类和叶绿素分子分解，绿色的SJ在开放状态下变为黑绿色[22]。就其化学品成分而言，SJ含有不同的营养成分，钾，钙，钠，氮，硅，蛋白质，维生素K，维生素A，维生素B复合物，抗氧化剂，多酚芳香环等[27]。通常它用作食品材料，它也可以在医疗领域找到应用（关于健康和头发）[28,29]。

对SJ和BPS的热重分析进行了详细比较，以了解它们的热行为，如图2所示。干燥的BPS粉末的TG图像和DTG曲线（A和A1）显示四个阶段质量减轻55（5％），200（13％），350（22％）和500（20％），清楚地反映了随着温度的升高而降低的重量损失率，在750℃的温度下，含碳量为30％的碳质炭依然存在。BPS生物分子的高热稳定性归因于存在各种无机金属，金属盐（Ca ，Mg ，K ，Si ，KCl -，Cl-）金属氧化物，磷酸盐，芳香酚氧基团等，这些都是从X射线（EDX），二次离子质谱（ToF-SIMS）和X射线荧光（XRF）分析得出[21,24]。该BPS的负ToF-SIMS显示出主要存在不同质量单位的分子，如H-（1 amu），C-（12 amu），CH-（13 amu），N-（14 amu），O-（16 amu），OH-（17 amu），F-（19amu），Cl -（35,37 amu），PO2-（62,63 amu），PO3-（79 amu），KCl-（74，76 amu），Cl2-（70,71 amu）等。另一方面，光谱主要表现出各种金属离子的存在，如Mg （24,25 amu），K （39 amu），Fe （55,56）等。以类似的方式，干燥SJ粉末的热重分析（B和B1）也显示出较低温度的三个阶段随着温度升高的重量损失率[55（5％），270（15％）和600℃（45％）]，温度为750℃，剩余30％的焦炭质量。干燥SJ粉末的热稳定性归因于硅酸盐，铁，钾等的存在，从EDX和傅立叶变换观察到干燥SJ粉末的无机盐的红外光谱（FTIR）分析[22]。然而，对于干燥的SJ粉末，脱水开始于250℃与BPS在200℃（比SJ早50℃）的脱水相比，预计可燃气体的释放量，在BPS更少。

图1.菠菜叶中的绿色菠菜叶汁（A）和香蕉假茎中提取的香蕉假茎液（B）

图2.BPS（A）和干燥SJ粉末（B）的TG和DTG曲线[22,25]

2.2基于蛋白质的生物高分子：结构组成和热稳定性

2.2.1鸡的羽毛

鸡毛由95个亲水性和疏水性氨基酸组成，其中主要亲水性氨基酸是丝氨酸，有助于吸收水分（比蛋白质的羊毛纤维吸收更多空气中的水分）。 鸡的羽毛含有91％的角蛋白，1.3％的脂肪和7.9％的水。 角蛋白蛋白由共价键合的碳，氮，氧组成，氢，硫和灰分材料[30]。

2.2.2乳清蛋白和酪蛋白

乳清蛋白（20％）和酪蛋白（80％）都是牛奶蛋白质的主要成分，在食用牛奶脱脂时获得。 酪蛋白由人体必需的，人体非必需的和一些支链氨基酸组成。 就组成而言，它由具有生物活性的含有8-9个高度磷酸化的磷酸酯基团组成的alpha;酪蛋白，含有胺基和N侧附近的单个磷酸化位点的beta;酪蛋白（由谷氨酰胺组成），C12肽和糖巨肽组成。而乳清蛋白具有更多的营养价值，它是由含有8-9个支链的氨基酸（超过酪蛋白对应物），beta;乳球蛋白，alpha;乳白蛋白，牛，血清白蛋白和免疫球蛋白[31]组成。 乳清蛋白中存在含有硫的氨基酸，这在酪蛋白[18]中一般不常见。

2.2.3疏水蛋白

疏水蛋白是小型富含胱氨酸蛋白质中最大的一类，分子量约10 kDa，由100个氨基酸组成，存在于丝状真菌的细胞壁中[32]。疏水蛋白质含有疏水和亲水表面。实际上真菌孢子存在于细胞壁中涂有蛋白质的物质，可以保护真菌孢子。 基于亲水性和生物物理特性，可分为两类。 1类疏水蛋白含有水不溶性淀粉单层，2类疏水蛋白含有水溶性蛋白质聚集体。 疏水蛋白是无毒的有助于真菌细胞的表面现适应环境。 此外，它有助于细胞壁的成熟和孢子分散到空气中[32,18]。

2.2.4脱氧核糖核酸

脱氧核糖核酸（DNA）通常看起来像双螺旋的单链聚合物，是由腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶和胸腺嘧啶组成的聚合物。脱氧核糖单元和磷酸基团作为DNA生物分子骨架层，而含氮碱基在内层占主导地位[18]。 Alongi等人详细讨论了大多数上述基于蛋白质的生物分子的常规和最近的先进应用。在这方面，我们主要强调的是基于生物分子比较这些蛋白质的热降解行为。

就降解行为而言，从图3可以看出，所有蛋白质生物分子都表现出低的生物分子质量，随温度升高而且在高温下也会保留更多的碳质炭块。对鲱鱼精子的脱氧核糖核酸（DNA）分子进行热分析（由碳，氮，氧，磷组成）显示三个阶段减少重量为180（9％），230（15％）和270℃（25％），在400℃和500℃下剩余40％和23％的焦炭。这里减少重量的原因是两个

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