Блог

Oct 24, 2023

Легкое создание нового себя

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1826 (2023) Цитировать эту статью

1686 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Чтобы улучшить огнестойкость древесины, было разработано новое гидрогелевое покрытие из поливинилового спирта, фитиновой кислоты и MXene с высокой водоудерживающей способностью и самовосстанавливающимся покрытием с помощью простых методов нагревания в одном горшке и цикла замораживания-оттаивания, а затем нанесено на поверхность древесины. Покрытие демонстрирует превосходные свойства самовосстановления и значительно улучшенные свойства удержания воды (содержание воды ≥ 90 мас.%) благодаря увеличению водородных связей внутри системы покрытия в присутствии нанолистов MXene. По сравнению с чистой древесиной, огнестойкость древесины с покрытием значительно улучшена, например, соответствует рейтингу V0 в тесте UL-94, увеличивается время до возгорания (TTI с 32 до 69 с), а также снижается скорость тепловыделения и общее тепловыделение на 41,6% и 36,14%. Охлаждающий эффект и большая теплоемкость гидрогеля с высокой водоудерживающей способностью, а также эффекты физического барьера для горючих газовых продуктов, тепла и кислорода за счет нанолистов MXene и компактного слоя угля, образующегося во время горения, играют ключевую роль в повышении огнестойкости древесины. Еще одним полезным фактором является высокая термическая стабильность нанолистов MXene. Предложены подробные механизмы огнезащиты и самовосстановления.

Как экологически чистый, возобновляемый и легкий строительный материал, древесина всегда привлекала внимание людей1,2,3,4,5. Однако присущая ему высокая воспламеняемость приводит к опасности возникновения пожара, что приводит к огромным экономическим потерям и человеческим жертвам6,7,8,9. Были разработаны различные методы повышения пожарной безопасности древесины, среди которых огнезащитное покрытие является наиболее эффективной стратегией, поскольку его можно легко нанести на древесину10,11,12,13. Например, Педро и др. предложили огнезащитное покрытие на основе лигнина, дубильных веществ и неорганических наночастиц, которое значительно снизило линейную скорость горения на 50% по сравнению с чистой древесиной14. Чу и др. использовали фосфатный эфир-полиэтиленгликоль в качестве огнезащитных покрытий, чтобы придать древесине превосходную огнестойкость, снизив скорость тепловыделения (HRR) и общее тепловыделение (THR) на 82,4% и 84,3%15. Однако используемые материалы недостаточно экологичны, а процесс приготовления огнезащитного покрытия в этих работах достаточно сложен, что ограничивает его широкое применение, поэтому требуется простой в обработке способ огнезащитного покрытия.

Будучи экологически чистым и простым в приготовлении материалом, гидрогель с высоким содержанием воды и нетоксичными свойствами оказался идеальным кандидатом для огнезащитного покрытия16,17,18,19,20. Высокое содержание воды означает, что большая часть тепла может быть поглощена при испарении воды. Нетоксичные свойства гарантируют, что во время разложения не выделяются токсичные летучие вещества. Эти две причины делают гидрогель выдающимся огнезащитным материалом для покрытия. Хунг и др. синтезировали зеленый, прочный и высокоэффективный огнестойкий жесткий пенополиуретан (RPUF) на основе полиакрил-полидофаминового гидрогеля с двойной сеткой посредством УФ-отверждения21. Чжан и др. подготовлено самовосстанавливающееся, пригодное для вторичной переработки и разлагаемое огнезащитное биогелевое покрытие на основе желатина с помощью двухэтапного метода перемешивания для зеленых зданий22. В нашей предыдущей работе мы разработали огнестойкую древесину на основе гидрогеля поливинилового спирта/фитиновой кислоты (ПВС/ПА) и исследовали влияние ПА на огнестойкость и адгезию в гидрогеле ПВС. Хотя гидрогелевое покрытие может придать древесине огнестойкость, для целей длительного использования и лучшей огнезащитной способности необходимо реализовать способность к самовосстановлению и высокую водоудерживающую способность.

Свойство самовосстановления может быть реализовано с помощью физических и химических подходов, включая диффузию и поток, эффекты памяти формы, гетерогенные системы самовосстановления, реформацию и перетасовку ковалентных связей, взаимодействие водородных связей, действие координационных связей металлов и динамику супрамолекулярной химии или их комбинации23,24,25. Среди них водородная связь является самым простым методом реализации. Как типичные динамические нековалентные связи, импорт водородных связей придает гидрогелю превосходные свойства самовосстановления без другого источника и повышает водоудерживающую способность гидрогеля26,27,28,29,30. MXene, двумерный неорганический наноматериал с множеством функциональных групп (-OH, -F и т. д.) на конце31,32,33,34,35, может образовывать множество водородных связей с ПВС и ПА и повышать степень гелеобразования ПВС в качестве сшивающего агента для улучшить механические свойства гидрогеля, что в значительной степени способствует самовосстановлению и высокому водоудержанию36. Более того, высокая термическая стабильность и нанолистовая структура MXene могут еще больше повысить огнестойкость гидрогеля. Лин и др. добавление MXene в хитозан-гидрогелевое покрытие, нанесенное на RPUF, значительно снизило HRR и THR на 57,2% и 65,5%37, демонстрируя превосходные огнезащитные свойства MXene.