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华南理工大学曾幸荣教授课题组CEJ:在灵敏火灾预警阻燃气凝胶领域获新进展
2020-11-27  来源:高分子科技

  有机气凝胶因其具有极低的密度和优异的热绝缘性能,在保温隔热领域具有潜在的应用价值。其中,壳聚糖气凝胶因其良好的生物相容性和加工性能,受到人们的广泛关注。然而,壳聚糖气凝胶极易燃烧,使用时存在严重的安全隐患。因此,制备高防火安全性的壳聚糖气凝胶具有重要的应用前景。


  目前,有机-无机杂化方法被认为是制备阻燃气凝胶最为有效的方法之一。将阻燃无机填料加入到有机气凝胶中,可大幅提高有机气凝胶的阻燃性能。然而,气凝胶在燃烧之前难免会有一个升温过程,这个过程是阻燃填料无法阻止的。若在早期升温阶段,发出火灾预警信号,可以将火灾扼杀在萌芽时期或为人们提供更多撤离或救援时间,有效减少财产损失和人员伤亡。因此,赋予气凝胶灵敏的火灾预警功能是提高气凝胶使用安全性的有效方法。其中,氧化石墨烯因其热还原性,在受热时会热还原为rGO,电阻会迅速发生下降,是一种理想的阻燃预警材料。此前,华南理工大学曾幸荣教授课题组已报道了多种GO基阻燃预警涂层,可适用于多种基材(Chem. Eng. J., 2020, 382, 122929;Chem. Eng. J., 2019, 369, 8-17等)。例如,谢华理博士以功能性纤维素为基础,通过一步自组装法制备了一种阻燃纳米涂层。该涂层在不到3秒的时间内就能触发火灾报警系统(Chem. Eng. J., 2019, 369, 8-17)。然而,目前制备火灾预警气凝胶仍存在巨大挑战:一方面,气凝胶孔隙率高,网络结构复杂,难以实现燃烧时电阻的快速转变(Nanoscale, 2019, 11(18), 8835-8844);另一方面,较大量填料的加入会破坏气凝胶的网络结构,恶化气凝胶的力学性能,增加气凝胶的密度(Chem, 2019, 5(7), 1871-1812)。因此,制备灵敏火灾预警的阻燃气凝胶气凝胶仍然是一个重大挑战,且目前仍未有具有灵敏火灾预警功能的有机气凝胶的相关报道。


  最近,华南理工大学曾幸荣教授课题组首次报道了阻燃预警气凝胶的相关工作。这项工作以羧甲基壳聚糖、蒙脱土和氨基化碳纳米管等为原料,通过冷冻干燥法制备了具有高效阻燃性、灵敏火灾预警和压阻传感功能的壳聚糖/蒙脱土/碳纳米管复合气凝胶(图1)。当遭受火焰灼烧时,该气凝胶最短仅需约0.25s即可以触发火灾预警系统。该气凝胶在垂直阻燃测试过程中能够自熄,具有良好的压缩弹性、优异的抗疲劳性和良好的压阻传感性能,可应用于人体运动检测。


图1. 超灵敏火灾预警气凝胶的设计思路


  所制备的气凝胶均表现出极小的密度、三维多孔结构。其中,引入蒙脱土的复合气凝胶在截面呈现出类似贝壳的多级微纳结构,赋予了气凝胶优异的抗疲劳性和压缩回弹性(图2)。


图2. 气凝胶的可剪裁性和力学性能


  该气凝胶最短可在0.25s即实现阻燃预警响应,是迄今为止最短的响应时间,且与理论预警时间吻合(图3)。该工作还揭示了可能的阻燃预警机理:(1) 在高温环境下,氨基化碳管能迅速去除氨基,还原成导电性好的碳管。且氨基化碳管表现出敏感的热致电阻变化;(2) 受热时羧甲基壳聚糖快速炭化,将还原的的碳纳米管结合在一起,形成导电通道,使气凝胶的电阻急剧降低(图4)。


图3. 气凝胶的超灵敏阻燃预警性能


图4. 气凝胶的火灾预警机理


  除了超灵敏的火灾预警性能,该复合气凝胶还表现出了优异的耐火性能。所有气凝胶在垂直燃烧测试中均表现出自熄,且氧指数可高达42%。此外,复合气凝胶具有突出的隔热性能。当该气凝胶正面暴露于温度高达1200 ℃的丁烷喷灯火焰下,其背面的三点(Sp1, Sp2, Sp3)温度变化如图5所示,可以看到三点的平均温度仅为280 ℃,正反面温差高达920 ℃。


图5. 气凝胶的高温隔热性能


  本文中的气凝胶兼具灵敏火灾预警功能、良好的力学性能和突出的热绝缘性能,有望应用于航空航天、人工智能和外墙保温等多领域,具有广阔的应用前景。该课题得到了国家自然科学基金(51773064 & 51403067)的资助与支持。本文第一作者为华南理工大学材料科学与工程学院硕士生陈嘉韵,通讯作者为华南理工大学材料科学与工程学院曾幸荣教授赖学军副教授


  论文题目:An ultrasensitive ?re-warning chitosan/montmorillonite/carbon nanotube composite aerogel with high ?re-resistance

  作者:Jiayun Chen, Huali Xie, Xuejun Lai*, Hongqiang Li, Jiefeng Gao, Xingrong Zeng*

  原文链接: https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125729

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