540 Chemie
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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%.
The sol-gel approach offers a new class of flame retardants with a high potential for textile applications. Pure inorganic sol-gel systems do, however, typically not provide an effect sufficient for a sel-fextinguishing behavior on its own. We therefore employed compounds with nitrogen and phosphorous containing groups. Especially the combination of compounds with both elements, using the synergism, is promising for the aim to find well-applicable, environmental friendly, halogen-free flame retardants. In our approach, the sol-gel network ensured on the one hand the link to the textile as nonflammable binder. On the other hand, the sol-gel-based networks modified with functional groups containing nitrogen groups provided flame retardancy. In this way, a flame retardant finishing for textiles could be obtained by simple finishing techniques as, e.g., padding. Besides a characterization with various flame tests (e.g., according to EN ISO 15025 e protective clothing), we used a combination of cone calorimetry, thermogravimetry coupled with infrared spectroscopy analysis and scanning electron microscopy to analyze the mechanism of flame retardancy. Thus, we could show that the main mechanism is based on the formation of a protection layer. This work provides a model system for sol-gel-based flame retardants and has the potential to show the principle feasibility of the sol-gel approach in flame retardancy of textiles. It therefore lays the groundwork for tailoring sol-gel layers from newly synthesized sol-gel precursors containing nitrogen and phosphorous groups.
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 auf welche Weise ein Flammschutz per Sol-Gel-Ansatz auf Stickstoff- und/oder Phosphorbasis als halogenfreie Alternative verwirklicht werden kann. Die Sol-Gel-Schicht fungierte dabei zum einen als nicht brennbarer Binder, zum anderen konnten über das Einführen entsprechender funktioneller Seitenketten für den Flammschutz aktive Gruppen direkt mit eingebunden werden. Verschiedene Ansätze wurden dabei verfolgt. Vor allem durch die Nutzung von additivierten Systemen, d.h. durch Sol-Gel-Schichten mit Zusätzen von stickstoff- und/oder phosphorhaltigen Verbindungen konnte ein Flammschutz nach DIN EN ISO 15025 (Schutzkleidung – Schutz gegen Hitze und Flammen) erhalten werden. Anhand eines Modellsystems, bei dem in zwei aufeinanderfolgenden Schritten zuerst eine funktionalisierte Sol-Gel-Schicht und anschließend eine Phosphorverbindung in einem zweiten Schritt aufgebracht wurde, konnten die Vorteile des Flammschutzes auf Sol-Gel-Basis nachgewiesen werden. Dabei wurde unter anderem auch gezeigt, 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. Abstriche müssen bis dato lediglich bezüglich der Waschstabilität gemacht werden. Die Sol-Gel-Schichten überstanden zwar im allgemeinen typische Waschprozesse, eine Permanenz der Flammfestigkeit von additivierten Systemen ergab sich aber nur in einzelnen Fällen. Ausgehend von den Ergebnissen wurde ein neuer Ansatz vorgestellt, der über den hier zugrundeliegenden Ansatz hinausgeht. Dieser sieht vor, durch den Einsatz von neu-synthetisierten Silanen mit Stickstoff- und Phosphorgruppen Sol-Gel-Schichten herzustellen, die ein vielversprechendes Verhalten zeigen. Hier konnte auch nach ersten Waschtests eine Aufrechterhaltung der verbesserten Flammfestigkeit nachgewiesen werden. Insgesamt konnte innerhalb des Forschungsvorhabens gezeigt werden, dass ein Flammschutz auf Sol-Gel-Basis für Textilien erhalten werden kann. Darüberhinaus konnte auch erklärt werden auf welchem Mechanismus dieser Flammschutz begründet ist und wie die derzeit noch ungenügende Waschpermanenz verbessert werden kann.
Indium tin oxide (ITO) particle coatings are known for high transparency in the visible, good conductive properties and near-infrared absorption. These properties depend on ITO particle's stiochiometric composition, defects and size. Here we present a method to gradually change ITO particle's optical properties by a simple and controlled laser irradiation process. The defined irradiation process and controlled energy dose input allows one to engineer the absorption and transsmission of coatings made from these particles. We investigate the role of the surrounding solvent, influence of laser fluence and the specific energy dose targeting modification of the ITO particle's morphology and chemistry by stepwise laser irradiation in a free liquid jet. TEM, SEM, EDX, XPS, XRD and Raman are used to elucidate the structural, morphological and chemical changes of the laser-induced ITO particles. On the basis of these results the observed modification of the optical properties is tentatively attributed to chemical changes, e.g. laser-induced defects or partial reduction.
Thin, flat textile roofing offers negligible heat insulation. In warm areas, such roofing membranes are therefore equipped with metallized surfaces to reflect solar heat radiation, thus reducing the warming inside a textile building. Heat reflection effects achieved by metallic coatings are always accompanied by shading effects as the metals are non-transparent for visible light (VIS). Transparent conductive oxides (TCOs) are transparent for VIS and are able to reflect heat radiation in the infrared. TCOs are, e.g., widely used in the display industry. To achieve the perfect coatings needed for electronic devices, these are commonly applied using costly vacuum processes at high temperatures. Vacuum processes, on account of the high costs involved and high processing temperatures, are obstructive for an application involving textiles. Accepting that heat-reflecting textile membranes demand less perfect coatings, a wet chemical approach has been followed here when producing transparent heat-reflecting coatings. Commercially available TCOs were employed as colloidal dispersions or nanopowders to prepare sol-gel-based coating systems. Such coatings were applied to textile membranes as used for architectural textiles using simple coating techniques and at moderate curing temperatures not exceeding 130 °C. The coatings achieved about 90% transmission in the VIS spectrum and reduced near-infrared transmission (at about 2.5 µm) to nearly zero while reflecting up to 25% of that radiation. Up to 35% reflection has been realized in the far infrared, and emissivity values down to ε = 0.5777 have been measured.
Hauptziel des Projektes war zum einen die Entwicklung einer validen Testmethode auf Grundlage vorliegender Normen, welche die in der betrieblichen Praxis auftretende Degradation abreinigbarer Filtermedien (hohe Temperaturen, aggressive chemische Atmosphären) praxisnah abbilden kann. Die Methode sollte auch die mechanische Alterung der Medien durch Staubbeaufschlagung sowie Abreinigungs Druckstöße berücksichtigen (DIN ISO 11057). Innerhalb des Projektes konnten umfangreiche Praxiserfahrungen mit der Inbetriebnahme und dem Betrieb einer schadgasbeaufschlagten, temperierbaren Testkammer zur chemischen Alterung von Filtermedien auf Grundlage der Vorgaben der DIN EN ISO 16891 gewonnen werden. Sollen vergleichbare Prüfdaten für mehrere Proben verlässlich ermittelt werden, sind bei den Untersuchungen demnach umfangreiche Randbedingungen zu beachten. Insbesondere zeigten die Untersuchungen den hohen technischen Aufwand zur Durchführung der Filtertests auf, welche nicht zuletzt auch aufgrund der erforderlichen Sicherheitstechnik und langen Untersuchungsdauer eine Umsetzung insbesondere bei KMU aus wirtschaftlichen Gründen erschwert ist. Es konnte weiter dargestellt werden, dass die Kombination von chemisch-thermischer und mechanisch(-thermischer) Alterung durch den Einsatz verschiedener Prüfeinrichtungen grundsätzlich umsetzbar ist. Die im Rahmen des Vorhabens entwickelte Testmethode einer chemischen Alterung der Filtermatrices durch Gasphasenexposition in einer Druckkammer ermöglicht kürzere Beanspruchungszeiträume bei reduziertem zu behandelnden Schadgasanfall und kann damit den wirtschaftlichen Betrieb eines entsprechenden Prüfstandes ermöglichen. Kombiniert mit der externen mechanischen Alterung durch Staubbeaufschlagung und Möglichkeit der parallelen Temperaturaufprägung gem. EN ISO 16891 auf mehrere Filtermedien-Proben lässt sich das thermisch, chemisch und mechanisch induzierte Degradationsverhalten von Filtermedien ggf. realitätsnah und mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand in eine Prüfvorschrift überführen. Entsprechende Validierungsarbeiten sind Bestandteil eines aktuell gestarteten Folgeprojektes. Das zweite Hauptziel des Projektes war es Ausrüstungen zu entwickeln, die zu einer verbesserten Beständigkeit gegenüber aggressiven Komponenten führen. Die Ergebnisse zeigten, dass mit dem Sol-Gelverfahren mechanisch stabile Beschichtungen auf Faservlies dauerhaft aufgetragen werden konnten, welche insbesondere die chemisch induzierte Degradation von Aramiden reduzieren können. Bei Aramiden handelt es sich um relativ teure Hochleistungsmaterialien, von welchen bekannt ist, dass ihre Beständigkeit sowohl gegen über UV-Strahlung als auch unterschiedlichen Schadgasen gering ist. Daher stellen die Beständigkeit der Materialien verbessernde Ausrüstungen eine wichtige Entwicklung für Unternehmen dar, um auf diese Weise beständigere Aramid-basierte Produkte zu erhalten. Als besonders geeignet stellten sich dabei Fluorcarbonausrüstungen, organisch-anorganische Hybride auf Basis von GPTMS und Zirkonium-haltige Ausrüstungen heraus.
Several ionic liquids are excellent solvents for cellulose. Starting from that finishing of PET fabrics with cellulose dissolved in ionic liquids like 1-ethyl 3-methyl imidazolium acetate, diethylphosphate and chloride, or the chloride of butyl-methyl imidazolium has been investigated. Finishing has been carried out from solutions of different concentrations, using microcrystalline cellulose or cotton and by employing different cross-linkers. Viscosity of solutions has been investigated for different ionic liquids,concentrations, cellulose sources, linkers and temperatures. Since ionic liquids exhibit no vapor pressure,simple pad-dry-cure processes are excluded. Before drying the ionic liquid has to be removed by a rinsing step. Accordingly rinsing with fresh ionic liquid followed by water or the direct rinsing with waterhave been tested. The amount of cellulose deposited has been investigated by gravimetry, zinc chlorideiodine test as well as reactive dyeing. Results concerning wettability, water up-take, surface resistance,wear-resistance or washing stability are presented.