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Im Zuge von REACH wurden gängige hocheffektive halogenierte Flammschutzmittel verboten, da diese unter dem Verdach stehen, kanzerogen, mutagen und teratogen zu sein. Zur Zeit fehlen entsprechende Alternativen. Daher werden am DTNW neue umweltfreundliche und halogenfreie Flammschutzmittel auf der Basis von Phosphor- und Stickstoffverbindungen entwickelt, um einen entsprechenden Flammschutz zu gewährleisten. Neue Möglichkeiten werden im Rahmen dieses Artikels vorgestellt.
Sol-Gel basierte Flammschutzmittel stellen einen vielversprechenden Ansatz für Textilien dar, gerade im Bereich des Ersatzes von derzeit etablierten halogenhaltigen Flammschutzmitteln. Letztere sind aufgrund ihrer toxikologisch Bedenklichkeit sowie ihrer mitunter bioakkumulierenden Eigenschaften in die Kritik geraten. In diesem Forschungsvorhaben wurde daher untersucht wie aus Phosphor- und stickstoffhaltige Silane halogenfreie Flammschutzmittel verwirklicht werden können. Die Sol-Gel-Schicht fungierte dabei zum einen als nicht brennbarer Binder, zum anderen konnten über das Anbinden von Phosphorgruppen in an kommerziell verfügbare Silane Flammschutz aktive Gruppen direkt mit eingebunden werden. Verschiedene Syntheseansätze wurden dabei verfolgt, wobei durch alle hergestellten N-P-Silane ein Flammschutz nach DIN EN ISO 15025 (Schutzkleidung – Schutz gegen Hitze und Flammen) erhalten wurden. Dabei hängt die Flammschutzwirkung stark von den funktionellen Gruppen und der Oxidationsstufe des Phosphors ab, dabei konnte ein entsprechender Flammschutz bei Auflagen von 5 % erzielt werden. Es konnte gezeigt werden, dass ein Mechanismus auf Basis der Bildung einer Schutzschicht hauptsächlich verantwortlich für den Flammschutz ist. Dieses Ergebnis ist für eine zukünftige, weitere Optimierung entsprechender Ausrüstungen nicht zu unterschätzen. Durch Ausrüstungsversuche im semi-industriellen Maßstab konnte weiterhin gezeigt werden, dass einer großtechnischen Umsetzung der angewandten Ausrüstungen prinzipiell nichts im Wege steht. Je nach funktioneller Gruppe am Phosphor konnte die Wasserlöslichkeit und die Waschstabilität kontrolliert werden. Dabei konnte zum einen gezeigt werden, dass hydrophobes N-P-Silane eine bessere Waschbeständigkeit aufweisen, hydrophile N-P-Silane erhalten diese erst bei Fixierungstemperaturen von 180 °C. Ausgehend von den Ergebnissen konnten sticktstoffgenerierende und cyanursäure-basierte N-P-Silane entwickelt werden, welche sich besonders in einer guten Flammschutzwirkung bei Mischgeweben auszeichnen. Insgesamt konnte innerhalb des Forschungsvorhabens gezeigt werden, dass N-P-Silane hervorragende permanente Flammschutzmittel für Textilien sind und auf welchem Mechanismus dieser Flammschutz begründet ist.
Im IGF-Projekt Nr. 19617 N wurden stickstoff- und phosphorsubstituierte Alkoxysilane hergestellt und ihre flammhemmenden Eigenschaften für Textilien untersucht. Die Synthesen erfolgten nach unterschiedlichen Strategien wie der Klick-Chemie und der nukleophilen Substitution kommerziell erhältlicher Organophosphorverbindungen mit aminobasierten Trialkoxysilanen und/oder Cyanurchlorid. Diese neuartigen, halogen- und aldehydfreien Flammschutzmittel wurden auf Stoffe aus Baumwolle (BW), Polyethylenterephthalat (PET), Polyamid (PA), sowie Mischgeweben daraus mit der industriell etablierten Pad-Dry-Cure-Technik und mittels Sol-Gel-Verfahren aufgetragen. Die flammhemmenden Eigenschaften wurden mit den Prüfverfahren nach EN ISO 15025 (Schutzkleidung – Schutz gegen Hitze und Flammprüfverfahren für begrenzte Flammenausbreitung= bewertet. Eine gute Schwerentflammbarkeit der hybriden organisch-anorganischen Materialien wurde bei einer geringen Menge von 3-5 Gew.% auf Baumwollgeweben erreicht. Darüber hinaus konnten die Wasserlöslichkeit und die Waschbeständigkeit durch die an das Phosphoratom gebundenen funktionellen Gruppen und durch die Optimierung der Härtungstemperatur kontrolliert werden. Insgesamt zeigte das Forschungsprojekt, dass N-P-Silane sehr gute permanente Flammschutzmittel für Textilien sind.
In the IGF project No. 19617 N, nitrogen and phosphorous substituted alkoxysilanes were prepared and their ability to inhibit fire growth and spread for fabrics was explored. To this end, a series of flame retardants were synthesized using different strategies including click chemistry and nucleophilic substitution of commercial organophosphorus compounds with amino-based trialkoxysilanes and/or cyanuric chloride. The new halogen-free and aldehyde-free flame retardants were applied to different fabrics such as cotton (CO), polyethylene terephthalate (PET), polyamide (PA) and their blends using the well-known pad-dry-cure technique and sol-gel method. The flame-retarding efficiencies were evaluated by EN ISO 15025 test methods (protective clothing-protection against heat and flame method of test for limited flame spread). Good flame retardancy of the hybrid organic-inorganic materials was achieved with the addition of as small amount as 3-5 wt.% for cotton fabrics. Moreover, the water solubility and the washing resistance could be controlled through the functional groups attached to the phosphor atom or through the optimization of the curing temperature. Overall, the research project demonstrated that N-P-silanes are very good permanent flame retardants for textiles.
Flame-retardant finishing of cotton fabrics using DOPO functionalized alkoxy- and amido alkoxysilane
(2023)
In the present study, DOPO-based alkoxysilane (DOPO-ETES) and amido alkoxysilane (DOPO-AmdPTES) were synthesized by one-step and without by-products as halogen-free flame retardants. The flame retardants were applied on cotton fabric utilizing sol–gel method and pad-dry-cure finishing process. The flame retardancy, the thermal stability and the combustion ehaviour of treated cotton were evaluated by surface and bottom edge ignition flame test (according to EN ISO 15025), thermogravimetric analysis (TGA) and micro-scale combustion calorimeter (MCC). Unlike CO/DOPO-ETES sample, cotton treated with DOPO-AmdPTES nanosols exhibits self-extinguishing ehaviour with high char residue, an improvement of the LOI value and a significant reduction of the PHRR, HRC and THR compared to pristine cotton. Cotton finished with DOPO-AmdPTES reveals a semi-durability after ten laundering cycles keeping the flame-retardant properties unchanged. According to the results obtained from TGA-FTIR, Py-GC/MS and XPS, the major activity of flame retardant occurs in the condensed phase via catalytic induced char formation as physical barrier along with the activity in the gas phase derived mainly from the dilution effect. The early degradation of CO/DOPO-AmdPTES compared to CO/DOPO-ETES, triggered by the cleavage of the weak bond between P and C=O, as the DFT study indicated, provides the beneficial effect of this flame retardant on the fire resistance of cellulose.
Energy consumption by air-conditioning is expansive and leads to the emission of millions of tons of CO2 every year. A promising approach to circumvent this problem is the reflection of solar radiation: Rooms that would not heat up by irradiation will not need to be cooled down. Especially, transparent conductive metal oxides exhibit high infrared (IR) reflectivity and are commonly applied as low-emissivity coatings (low-e coatings). Indium tin oxide (ITO) coatings are the state-of-the-art application, though indium is a rare and expensive resource. This work demonstrates that aluminum-doped zinc oxide (AZO) can be a suitable alternative to ITO for IR-reflection applications. AZO synthesized here exhibits better emissivity to be used as roofing membrane coatings for buildings in comparison to commercially available ITO coatings. AZO particles forming the reflective coating are generated via solvothermal synthesis routes and obtain high conductivity and IR reflectivity without the need of any further post-thermal treatment. Different synthesis parameters were studied, and their effects on both conductive and optical properties of the AZO nanoparticles were evaluated. To this end, a series of characterization methods, especially 27Al-nuclear magnetic resonance spectroscopy (27Al-NMR) analysis, have been conducted for a deeper insight into the particles’ structure to understand the differences in conductivity and optical properties. The optimized AZO nanoparticles were coated on flexible transparent textile-based roofing membranes and tested as low-e coatings. The membranes demonstrated higher thermal reflectance compared with commercial ITO materials with an emissivity value lowered by 16%.
Textilien mit elektronischen Funktionen, Smarte Textiles oder Wearables, finden sich in immer mehr Bereichen. Markt und Anzahl der Produkte wachsen seit Jahren sehr stark. Die Produkte benötigen naturgemäß eine Stromversorgung, die für mobile Anwendungen meist über konventionelle Batterien/Akkus zur Verfügung gestellt wird. Hier können alternativ textile Superkondensatoren (SC) als voll integrierte Energiespeicher dienen. Es wäre auch denkbar an anderer Stelle textile Flächen als Energiespeicher zu nutzen (Dachhimmel im Automobil, Zeltdach u.v.m.). Im Rahmen eines Gemeinschaftsprojektes vom Deutschen Textilforschungszentrum Nord-West und der TEXOVERSUM Fakultät Textil wurden Materialien und ein Aufbau für textile SC entwickelt. Superkondensatoren können Energie speichern und schnell geladen werden. Ein Schwerpunkt der Arbeiten zielte auf die Synthese von neuen textilen Elektroden auf Basis von Kohlenstoffnanofaservliesen (CNF-Vliesen) ab. Die so hergestellten CNF-Vliese wurden in einen parallel entwickelten Aufbau integriert. Es zeigt sich, dass resultierende Kondensatoren, aufgrund der höheren spezifischen Oberfläche der Nanovliese und weiterer Funktionalisierungen eine deutlich höhere Kapazität aufweisen, als solche, die mit konventionellen Kohlefaservliesen hergestellt wurden. Mit den CNF-Vliesen konnten Kapazitäten von 30 F/g Elektrodenmaterial realisiert werden, eine Steigerung um den Faktor 300 im Vergleich mit Elektroden basierend auf konventionellen Kohlefaservliesen. Der Kondensatoraufbau wurde für ein Funktionsmuster so weiterentwickelt, dass er über einen klassischen mehrstufigen textilen Siebdruckprozess, bei dem die Elektroden in den Aufbau eingelegt werden, realisiert werden kann. Die Herstellung textiler Superkondensatoren kann damit für Textilveredler/-drucker, oft KMU, interessant sein. Leistungsfähige textile Superkondensatoren eröffnen Herstellern von smarten Textilien die Möglichkeit Produkte mit einem höheren Integrationsgrad zu entwickeln.
A concept to prepare a highly hydrophobic composite with self-healing properties has been designed and verified. The new material is based on a composite of a crystalline hydrophobic fluoro wax, synthesized from montan waxes and perfluoroethylene alcohols, combined with spherical silica nanoparticles equipped with a hydrophobic shell. Highly repellent layers were prepared using this combination of a hydrophobic crystalline wax and silica nanoparticles. The novel aspect of our concept was to prepare a ladder-like structure of the hydrophobic shell allowing the inclusion of a certain share of wax molecules. Wax molecules trapped in the hydrophobic structure during mixing are hindered from crystallizing; therefore, these molecules maintain a higher mobility compared to crystallized molecules. When a thin layer of the composite material is mechanically damaged, the mobile wax molecules can migrate and heal the defects to a certain extent. The general preparation of the composite is described and XRD analysis demonstrated that a certain share of wax molecules in the composite are hindered to crystallize. Furthermore, we show that the resulting material can recovery its repellent properties after surface damage.
