State-of-the-art vlamvertragende katoenen stoffen hebben last van het vrijkomen van formaldehyde en zijn oncomfortabel om te dragen. Empa-wetenschappers slaagden erin dit probleem te omzeilen door een fysiek en chemisch onafhankelijk netwerk van vlamvertragers in de vezels te creëren. Deze benadering behoudt de inherent positieve eigenschappen van katoenvezels, die goed zijn voor driekwart van de wereldvraag naar natuurlijke vezels in kleding en huishoudtextiel. Katoen is huidvriendelijk omdat het aanzienlijke hoeveelheden water kan opnemen en een gunstig microklimaat op de huid kan behouden.

Voor brandweerlieden en ander hulpverleningspersoneel, beschermende kleding vormt de belangrijkste barrière. Voor dergelijke doeleinden, katoen wordt voornamelijk gebruikt als een binnenste textiellaag die extra eigenschappen nodig heeft:bijvoorbeeld het moet brandveilig zijn of beschermen tegen biologische verontreinigingen. Hoe dan ook, het mag niet hydrofoob zijn, wat een oncomfortabel microklimaat zou creëren. Deze extra eigenschappen kunnen door geschikte chemische modificaties in de katoenvezels worden ingebouwd.

Duurzaamheid versus toxiciteit

"Tot nu, het heeft altijd een compromis genomen om katoen brandveilig te maken, " zegt Sabyasachi Gaan, een chemicus en polymeerexpert die werkt bij Empa's Advanced Fibers-lab. Wasbestendig vlamvertragend katoen in de industrie wordt geproduceerd door de stof te behandelen met vlamvertragers, die zich chemisch verbindt met de cellulose in het katoen. Momenteel, de textielindustrie heeft geen andere keuze dan chemicaliën op basis van formaldehyde te gebruiken - en formaldehyde wordt geclassificeerd als kankerverwekkend. Dit is al decennia een onopgelost probleem. Hoewel op formaldehyde gebaseerde vlamvertragende behandelingen duurzaam zijn, ze hebben extra nadelen:de -OH-groepen van cellulose zijn chemisch geblokkeerd, waardoor het vermogen van katoen om water te absorberen aanzienlijk wordt verminderd, wat resulteert in een oncomfortabel textiel.

Gaan kent de chemie van katoenvezels goed en heeft vele jaren bij Empa gewerkt aan het ontwikkelen van vlamvertragers op basis van fosforchemie die al in veel industriële toepassingen worden gebruikt. Nu is hij erin geslaagd een elegante en gemakkelijke manier te vinden om fosfor in de vorm van een onafhankelijk netwerk in het katoen te verankeren.

Onafhankelijk netwerk tussen katoenvezels

Gaan en zijn collega's Rashid Nazir, Dambarudhar Parida en Joel Borgstädt gebruikten een trifunctionele fosforverbinding (trivinylfosfineoxide), die alleen kan reageren met specifiek toegevoegde moleculen (stikstofverbindingen zoals piperazine) om zijn eigen netwerk in katoen te vormen. Hierdoor is het katoen blijvend brandwerend zonder de gunstige -OH-groepen te blokkeren. In aanvulling, het fysieke fosfineoxidenetwerk houdt ook van water. Deze vlamvertragende behandeling bevat geen kankerverwekkend formaldehyde, die textielarbeiders tijdens de textielproductie in gevaar zouden brengen. De fosfineoxidenetwerken, aldus gevormd, wast niet uit:Na 50 wasbeurten, 95 procent van het vlamvertragende netwerk is nog in het weefsel aanwezig.

Om extra beschermende functionaliteiten te geven aan het bij Empa ontwikkelde vlamvertragende katoen, de onderzoekers verwerkten ook in situ gegenereerde zilveren nanodeeltjes in de stof. Dit werkt mooi in een eenstapsproces samen met het genereren van de fosfineoxidenetwerken. Zilveren nanodeeltjes geven de vezel antimicrobiële eigenschappen en overleven 50 wasbeurten, te.

Een hightech oplossing uit de snelkookpan

"We hebben een eenvoudige benadering gebruikt om de fosfineoxidenetwerken in de cellulose te fixeren, " Zegt Gaan. "Voor onze laboratoriumexperimenten, we hebben het katoen eerst behandeld met een waterige oplossing van fosfor en stikstofverbindingen en vervolgens gestoomd in een gemakkelijk verkrijgbare snelkookpan om de verknopingsreactie van de fosfor en de stikstofmoleculen te vergemakkelijken." Het applicatieproces is compatibel met apparatuur die in de textielindustrie wordt gebruikt "Textiel stomen na het verven, bedrukken en afwerken is een normale stap in de textielindustrie. Het vereist dus geen extra investering om ons proces toe te passen, " zegt de Empa-chemicus.

In de tussentijd, deze nieuw ontwikkelde fosforchemie en de toepassing ervan worden beschermd door een octrooiaanvraag. "Er zijn nog twee belangrijke hindernissen, " Zegt Gaan. "Voor toekomstige commercialisering moeten we een geschikte chemische fabrikant vinden die trivinylfosfineoxide kan produceren en leveren. In aanvulling, trivinylfosfineoxide moet REACH-geregistreerd zijn in Europa."'