MXene复合材料作为阻燃剂防火性能的研究

一、文章概述

近年来，二维过渡金属材料的发现已成为制备纳米结构阻燃剂的一个极好的候选材料。文章报道了一种由 MXene (Ti3C2) 与包括植酸 (PA)、酪蛋白、果胶和壳聚糖 (CH) 在内的生物质材料杂化合成的环保型柔性聚氨酯泡沫(PUF)阻燃剂。结果表明用3层CH/PA/Ti3C2逐层覆盖PUF使峰值释放热和总释放烟量分别减少了51.1%和84.8%。这些卓越的改进超过了CH/Ti3C2涂层的改进。为了进一步了解基本的烟气和烟雾减少现象，开发了具有表面回归的热解模型来模拟烟气传播和炭层。利用遗传算法来确定描述热降解率的最优参数。CH/PA/Ti3C2优异的阻燃性能源于MXene与含有芳香环、酚类和磷类化合物的生物质材料的屏蔽和炭化效应。

二、图文导读

图1.LbL法制备CH/PA/Ti3C2涂层PUF工艺示意图。

图2.SEM图像（a、b）整洁的PUF；（c、d）[CH/PA]1涂层PUF ；（e、f）[CH/PA/Ti3C2]涂层PUF；(g)CH/PA/Ti3C2]1涂层PUF的EDS映射图像。

图3.(a)HRR曲线和(b)纯和所有涂层PUF的MCC结果。

表一 UL-94水平燃烧试验结果。

图4.35kW/m2锥量热计模拟和CH/PA/Ti3C2]3PUF的实验图像。

图5.[CH/PA/Ti3C2]3 PUF在燃烧时间内固体分数回归和炭层形成的二维等高线图:(a) T = 0 s, (b) T = 10.0 s, (c) T = 50.0 s, (d) T = 100 s, and (e) T = 175.0 s.

三、全文总结

作者开发并演示了一种新的纳米结构FR涂层，可以显著抑制聚氨酯泡沫的易燃性。采用LbL方法，将二维过渡金属MXene (Ti3C2)与酪蛋白、果胶和PA三种不同的生物质材料进行杂化。通过锥形量热法、热重法、微型燃烧法和 UL-94 水平燃烧试验在内的各种测试结果表明，[CH/PA/Ti3C2]3 涂层能够降低pHRR、THR、PSPR、TSR、COPR、 和 CO2PR 分别下降了51.1%、40.1%、66.7%、84.8%、60.4% 和 69.1%。此外，文章提出了一个高密度计算流体动力学，以准确地捕获潜在的FR机制，并预测突出的分数和烟雾减少。使用系统的数值建模框架，包括通过遗传算法方法提取热解反应速率和基于 LES 的火灾模型的应用，带有内部表面回归热解模块的基于 CFD 的分析模型解释了基本的热分解速率和 FR涂层PUF的动力学。计算结果与实验结果在HRR、TTI和燃烧时间等方面具有较好的一致性。通过结合固体界面跟踪和炭形成模型，该模型可以复制由于加入 CH/PA/Ti3C2 涂层而导致的火灾强度降低。在PUF上应用的纳米结构CH/PA/Ti3C2涂层表现出了显著的替代卤化阻燃剂的潜力，并且具有降低毒性和提高生物降解性的好处。

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