Design and study of multifunctional fabrics
- Autores: Can Fu
- Directores de la Tesis: De-Yi Wang (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2021
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Carlos González Martínez (presid.), Álvaro Ridruejo (secret.), José María Benito Peñalba (voc.), Veronica San Miguel Arnanz (voc.), Silvia González Prolongo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Estructuras, Cimentaciones y Materiales por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
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 •OH 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.
