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    華南理工大學曾幸榮教授課題組CEJ:在靈敏火災預警阻燃氣凝膠領域獲新進展
    2020-11-27  來源:高分子科技

      有機氣凝膠因其具有極低的密度和優異的熱絕緣性能,在保溫隔熱領域具有潛在的應用價值。其中,殼聚糖氣凝膠因其良好的生物相容性和加工性能,受到人們的廣泛關注。然而,殼聚糖氣凝膠極易燃燒,使用時存在嚴重的安全隱患。因此,制備高防火安全性的殼聚糖氣凝膠具有重要的應用前景。


      目前,有機-無機雜化方法被認為是制備阻燃氣凝膠最為有效的方法之一。將阻燃無機填料加入到有機氣凝膠中,可大幅提高有機氣凝膠的阻燃性能。然而,氣凝膠在燃燒之前難免會有一個升溫過程,這個過程是阻燃填料無法阻止的。若在早期升溫階段,發出火災預警信號,可以將火災扼殺在萌芽時期或為人們提供更多撤離或救援時間,有效減少財產損失和人員傷亡。因此,賦予氣凝膠靈敏的火災預警功能是提高氣凝膠使用安全性的有效方法。其中,氧化石墨烯因其熱還原性,在受熱時會熱還原為rGO,電阻會迅速發生下降,是一種理想的阻燃預警材料。此前,華南理工大學曾幸榮教授課題組已報道了多種GO基阻燃預警涂層,可適用于多種基材(Chem. Eng. J., 2020, 382, 122929;Chem. Eng. J., 2019, 369, 8-17等)。例如,謝華理博士以功能性纖維素為基礎,通過一步自組裝法制備了一種阻燃納米涂層。該涂層在不到3秒的時間內就能觸發火災報警系統(Chem. Eng. J., 2019, 369, 8-17)。然而,目前制備火災預警氣凝膠仍存在巨大挑戰:一方面,氣凝膠孔隙率高,網絡結構復雜,難以實現燃燒時電阻的快速轉變(Nanoscale, 2019, 11(18), 8835-8844);另一方面,較大量填料的加入會破壞氣凝膠的網絡結構,惡化氣凝膠的力學性能,增加氣凝膠的密度(Chem, 2019, 5(7), 1871-1812)。因此,制備靈敏火災預警的阻燃氣凝膠氣凝膠仍然是一個重大挑戰,且目前仍未有具有靈敏火災預警功能的有機氣凝膠的相關報道。


      最近,華南理工大學曾幸榮教授課題組首次報道了阻燃預警氣凝膠的相關工作。這項工作以羧甲基殼聚糖、蒙脫土和氨基化碳納米管等為原料,通過冷凍干燥法制備了具有高效阻燃性、靈敏火災預警和壓阻傳感功能的殼聚糖/蒙脫土/碳納米管復合氣凝膠(圖1)。當遭受火焰灼燒時,該氣凝膠最短僅需約0.25s即可以觸發火災預警系統。該氣凝膠在垂直阻燃測試過程中能夠自熄,具有良好的壓縮彈性、優異的抗疲勞性和良好的壓阻傳感性能,可應用于人體運動檢測。


    圖1. 超靈敏火災預警氣凝膠的設計思路


      所制備的氣凝膠均表現出極小的密度、三維多孔結構。其中,引入蒙脫土的復合氣凝膠在截面呈現出類似貝殼的多級微納結構,賦予了氣凝膠優異的抗疲勞性和壓縮回彈性(圖2)。


    圖2. 氣凝膠的可剪裁性和力學性能


      該氣凝膠最短可在0.25s即實現阻燃預警響應,是迄今為止最短的響應時間,且與理論預警時間吻合(圖3)。該工作還揭示了可能的阻燃預警機理:(1) 在高溫環境下,氨基化碳管能迅速去除氨基,還原成導電性好的碳管。且氨基化碳管表現出敏感的熱致電阻變化;(2) 受熱時羧甲基殼聚糖快速炭化,將還原的的碳納米管結合在一起,形成導電通道,使氣凝膠的電阻急劇降低(圖4)。


    圖3. 氣凝膠的超靈敏阻燃預警性能


    圖4. 氣凝膠的火災預警機理


      除了超靈敏的火災預警性能,該復合氣凝膠還表現出了優異的耐火性能。所有氣凝膠在垂直燃燒測試中均表現出自熄,且氧指數可高達42%。此外,復合氣凝膠具有突出的隔熱性能。當該氣凝膠正面暴露于溫度高達1200 ℃的丁烷噴燈火焰下,其背面的三點(Sp1, Sp2, Sp3)溫度變化如圖5所示,可以看到三點的平均溫度僅為280 ℃,正反面溫差高達920 ℃。


    圖5. 氣凝膠的高溫隔熱性能


      本文中的氣凝膠兼具靈敏火災預警功能、良好的力學性能和突出的熱絕緣性能,有望應用于航空航天、人工智能和外墻保溫等多領域,具有廣闊的應用前景。該課題得到了國家自然科學基金(51773064 & 51403067)的資助與支持。本文第一作者為華南理工大學材料科學與工程學院碩士生陳嘉韻,通訊作者為華南理工大學材料科學與工程學院曾幸榮教授賴學軍副教授


      論文題目: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*

      原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125729

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