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Nanoscale-輕若鴻毛，阻燃隔熱的高強度纖維素氣凝膠

2017-11-16 09:36:16 作者：本網整理來源：材料前沿科技分享至：

在建造現代節能建筑時，房屋保溫功能的實現經常需要用到大量具有絕熱功能的阻燃材料。納米纖維素（CNF）氣凝膠是一種優異的輕質熱絕緣體，它具有來源廣泛、可持續再生、綠色環保的優點，是目前構建節能建筑的新趨勢。但是纖維素自身具有易燃的缺點，它的阻燃處理通常采用鹵系或者磷系阻燃劑，這些阻燃劑雖然能夠提高纖維素的阻燃性能，但是在燃燒時會放出有毒的鹵化氫和含磷氧化物，對環境和人體造成危害。

有研究表明，二硫化鉬（MoSO2）的熔點高達1185℃。在二硫化鉬與聚合物的復合材料中，二硫化鉬納米片能夠形成一種屏障，有效減少外界的熱量與氧氣的傳播，同時抑制基材釋放有毒的揮發性物質，具有較低的熱導率和良好的阻燃性能。

基于此，美國東北大學的研究人員通過化學交聯的方法，用超薄的1T金屬相二硫化鉬對納米纖維素進行納米包覆，利用冷凍干燥法制得一種氣凝膠納米復合材料。這種低密度的纖維素氣凝膠具有高比強度、出色的阻燃能力和自熄滅能力，在房屋建造、航空航天的絕熱阻燃材料上有良好應用前景。該成果發表在近期《Nanoscale》上。

1 制備流程

▲圖1

（a）通過化學法和機械法將納米纖維素（CNF）從天然木材管胞中分離出來。

（b）用水熱法制備1T金屬相的MoS2納米片，MoS2的結構如紅框所示。

（c） MoS2上的Mo4+與纖維素中的-COOH,-OH 發生化學交聯，凝膠化反應后得到CNF/MoS2凝膠。

（d）冷凍干燥后制得的 CNF/MoS2氣凝膠的照片，紅框中是CNF/MoS2 復合材料的結構示意圖。

2 力學性能

▲圖2

（a）徑向和（c）軸向的CNF/MoS2氣凝膠的SEM照片。

（b）氣凝膠的數碼照片。

（d） MoS2, CNF,and CNF/MoS2 溶液的粘度曲線

（e） MoS2 在化學交聯之前Mo 3d 的XPS譜圖。

（f） CNF/MoS2 氣凝膠中Mo3d 的XPS 譜圖。

（g）表現氣凝膠強度的數碼照片，0.1g的氣凝膠可支撐210g的荷載。

（h） CNF/MoS2 氣凝膠在軸向/徑向的應力-應變曲線。

（i）氣凝膠在軸向和徑向上的楊氏模量。

3 阻燃隔熱性能

▲圖3

（a）軸向和（b）徑向的CNF/MoS2氣凝膠的紅外圖像與溫度分布

（c）軸向與（d）徑向的輪廓模型的溫度分布。

（e） CNF/MoS2 氣凝膠在 1300 °C的丁烷火焰中垂直燃燒6s后的變化。

（f ） CNF 與CNF/MoS2氣凝膠的TGA曲線圖。

（g） of spectra in CNF/MoS2氣凝膠在燃燒后C 1s的XPS譜圖。

（h） CNF/MoS2 氣凝膠在錐形量熱測試過程的數碼照片，該過程中沒有出現連續的火焰。

參考文獻：Yang L, Mukhopadhyay A, Jiao Y, et al. Ultralight, highly thermally insulating and fire resistant aerogel by encapsulating cellulose nanofibers with two-dimensional MoS2.[J]. Nanoscale, 2017.

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責任編輯：殷鵬飛

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