Preparation and application of durable flame retardant antimicrobial finishing agent for cotton fabrics

Katoen is een van de meest geliefde materialen op aarde, gewaardeerd om zijn zachtheid, ademend vermogen en het vermogen om vocht te absorberen. Het is de favoriete stof voor alles van zomerhemden tot ziekenhuisjassen. Toch heeft deze natuurlijke vezel twee belangrijke zwakheden die het gebruik in risicovolle omgevingen beperken. Ten eerste brandt het gemakkelijk. Wanneer katoen wordt blootgesteld aan vuur, ontbrandt het snel en blijft het branden, waarbij brandbare gassen vrijkomen die de vlammen voeden. Ten tweede creëert het vermogen om water vast te houden een warme, vochtige omgeving waarin bacteriën en schimmels kunnen gedijen, wat gezondheidsrisico's vormt in medische instellingen of openbare ruimtes. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd deze problemen op te lossen door katoen te coaten met chemicaliën die vuur stoppen of bacteriën doden. Echter, een grote hindernis bleef bestaan: de meeste behandelingen spoelen eruit. Als een chemische stof op het oppervlak van de stof ligt in plaats van ermee te binden, zal een paar cycli in de wasmachine het wegslaan, waardoor het katoen weer kwetsbaar wordt.

Onderzoekers aan het Shanghai Institute of Technology hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld die beide problemen tegelijk aanpakt en daarbij ook het wasprobleem oplost. Ze creëerden een enkel afwerkingsmiddel dat chemisch bindt aan de katoenvezels, waardoor de stof brandwerend en vijandig voor microben wordt zonder weg te wassen. Het team begon met een veelvoorkomend antimicrobieel polymeer dat bekend staat om zijn vermogen om bacteriën te doden door hun celwanden te verstoren. Ze modificeerden dit polymeer door een chemische groep toe te voegen die met het katoen zelf kan reageren. Vervolgens voegden ze fosfor en stikstof toe, elementen die bekend staan om het verstoren van het verbrandingsproces. Het resultaat was een nieuwe verbinding die, wanneer toegepast op katoen en verhit, een permanent, onzichtbaar schild vormt. Dit schild ligt niet alleen bovenop de vezels; het versmelt ermee, waardoor een duurzame barrière ontstaat die herhaaldelijk wassen overleeft.

De onderzoekers testten deze nieuwe behandeling op gewone katoenen stof door de stof te weken in een oplossing van het middel en het vervolgens in een oven te bakken op hoge temperatuur om het op zijn plaats te vergrendelen. De resultaten waren opmerkelijk. Onbehandeld katoen brandt fel, laat bijna geen residu achter en vat binnen enkele seconden vlam. De behandelde stof gedroeg zich echter volkomen anders. Bij blootstelling aan een vlam bleef de stof niet branden. In plaats van weg te branden, vormde het een dikke, verkoolde laag die het materiaal eronder beschermde. In een test waarbij werd gemeten hoeveel zuurstof de stof nodig heeft om te blijven branden, had de behandelde katoen meer dan twee keer zoveel zuitsof nodig als onbehandelde katoen om brandend te blijven. Wanneer de vlam werd verwijderd, stopte de stof onmiddellijk met branden, zonder dat er gloeiende resten achterbleven. De hitte die tijdens het brandproces vrijkwam, nam drastisch af, waarbij de piekintensiteit van het vuur met meer dan negentig procent werd verminderd vergeleken met de onbehandelde controle.

Naast het stoppen van vuur bleek de stof zeer effectief bij het doden van ziektekiemen. De onderzoekers stelden de behandelde katoen bloot aan drie veelvoorkomende soorten microben: twee soorten bacteriën en een type gist dat vaak bij infecties voorkomt. De stof doodde bijna al deze microben, met effectiviteitspercentages die honderd procent bereikten voor de gist en negenennegentig procent voor de bacteriën. Cruciaal was dat de behandeling niet vertrouwde op het vrijgeven van chemicaliën in de lucht of het water om deze ziektekiemen te doden. In plaats daarvan bleven de antimicrobiële middelen stevig aan het oppervlak van de stof zitten, waardoor ze microben alleen doodden wanneer ze het materiaal aanraakten. Deze contactgebaseerde werking is veiliger en voorkomt de afgifte van giftige stoffen aan het milieu.

De echte test voor deze nieuwe technologie was het vermogen om de zware eisen van het dagelij�ks leven te weerstaan. De onderzoekers wasten de behandelde stof vijftig keer in een machine, een proces dat jarenlang gebruik simuleert. Na deze cycli behield de stof de meeste van haar beschermende eigenschappen. Het bood nog steeds effectief weerstand tegen vuur, waarbij het aanzienlijk meer zuurstof nodig had om te branden dan onbehandeld katoen, en het bleef meer dan vijfentachtig procent van de microben die het tegenkwam doden. De chemische bindingen die de behandeling aan het katoen vasthielden, waren sterk genoeg om te voorkomen dat het middel uitloogde, waardoor de bescherming intact bleef. De behandeling had ook een minimale impact op het fysieke gevoel en de sterkte van de stof, waardoor de zachtheid en duurzaamheid die katoen zo gewenst maken, behouden bleven.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om katoen een permanente, dubbele verdediging tegen vuur en infectie te geven zonder de natuurlijke kwaliteiten aan te tasten. Door de beschermende middelen chemisch direct aan de vezel te binden, hebben de onderzoekers een stof gecreëerd die zelfs na uitgebreid wassen veilig en schoon blijft. Deze aanpak biedt een veelbelovend pad voor het creëren van textiel dat niet alleen comfortabel is, maar ook inherent veiliger voor gebruik in ziekenhuizen, openbare gebouwen en huizen waar brandveiligheid en hygiëne van groot belang zijn. De stof staat als een duurzame oplossing en bewijst dat met het juiste chemische ontwerp, katoen getransformeerd kan worden in een materiaal dat beschermt tegen precies de bedreigingen die de potentie ervan lang hebben beperkt.