Fabricación fácil de un yo novedoso.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 1826 (2023) Citar este artículo

Accesos 2023

1 altmétrica

Detalles de métricas

Para mejorar el retardo de llama de la madera, se desarrolló un nuevo recubrimiento de hidrogel de polivinilo/ácido fítico/MXene con alta retención de agua y autocuración mediante métodos sencillos de calentamiento en un solo recipiente y ciclo de congelación-descongelación, y luego se pintó sobre la superficie de la madera. El recubrimiento exhibe una excelente propiedad de autocuración y una propiedad de retención de agua significativamente mejorada (contenido de agua ≥ 90% en peso), debido al aumento de los enlaces de hidrógeno dentro del sistema de recubrimiento con la presencia de nanohojas MXene. En comparación con la madera prístina, el retardo de llama de la madera recubierta ha mejorado enormemente, como la clasificación V0 aprobada en la prueba UL-94, el aumento del tiempo de ignición (TTI, de 32 a 69 s) y la disminución de la tasa de liberación de calor y la liberación total de calor en 41,6% y 36,14%. El efecto de enfriamiento y la gran capacidad térmica del hidrogel de alta retención de agua, y los efectos de barrera física para productos de gas inflamables, el calor y el oxígeno de las nanoláminas MXene y la capa compacta de carbón formada durante la combustión desempeñan un papel clave en las mejoras de la retardación de llama de la madera. La alta estabilidad térmica de las nanohojas MXene es otro factor beneficioso. Se propusieron los mecanismos detallados retardantes de llama y de autorreparación.

Como material de construcción ecológico, renovable y ligero, la madera siempre ha atraído la atención de la gente1,2,3,4,5. Sin embargo, su alta inflamabilidad intrínseca conlleva riesgos de incendio que tienden a provocar enormes pérdidas económicas y víctimas6,7,8,9. Se han desarrollado varios métodos para mejorar la seguridad contra incendios de la madera, entre los cuales, el recubrimiento retardante de llama es la estrategia más llamativa, ya que podría ser fácilmente aplicable a la madera10,11,12,13. Por ejemplo, Pedro et al. propusieron un recubrimiento ignífugo a base de lignina, taninos y nanopartículas inorgánicas, que reducía significativamente la velocidad de combustión lineal en un 50% en comparación con la madera pura14. Chu et al. utilizaron éster de fosfato-polietilenglicol como recubrimientos ignífugos para dotar a la madera de una excelente retardancia de llama, disminuyendo la tasa de liberación de calor (HRR) y la liberación de calor total (THR) en un 82,4% y un 84,3%15. Sin embargo, los materiales utilizados no son lo suficientemente ecológicos y el proceso de preparación del revestimiento ignífugo es bastante complicado en estos trabajos, lo que limita su amplia aplicación, por lo que se requiere un método de revestimiento ignífugo fácil de procesar.

Como material ecológico y fácil de preparar, el hidrogel, con alto contenido de agua y características no tóxicas, ha demostrado ser un candidato ideal para recubrimiento retardante de llama16,17,18,19,20. El alto contenido de agua significa que la mayor parte del calor se puede absorber mediante la evaporación del agua. Las características no tóxicas garantizan que no se liberen volátiles tóxicos durante la descomposición. Estas dos razones hacen del hidrogel el material de recubrimiento ignífugo excepcional. Hung et al. sintetizó una espuma de poliuretano rígida (RPUF) ignífuga, ecológica, resistente y altamente eficiente basada en hidrogel de doble red de poliacrílico-polidopamina mediante curado UV21. Zhang et al. preparó un recubrimiento de biogel a base de gelatina ignífugo, autocurativo, reciclable y degradable mediante un método de agitación de dos pasos para edificios ecológicos22. En nuestro trabajo anterior, diseñamos una madera retardante de llama a base de hidrogel de alcohol polivinílico/ácido fítico (PVA/PA) y exploramos el efecto de la PA sobre el retardo de llama y la adhesión en hidrogel de PVA. Aunque el recubrimiento de hidrogel puede dotar a la madera de retardo de llama, es necesario lograr una capacidad de autocuración y una alta retención de agua para lograr los objetivos de uso prolongado y una mejor capacidad retardante de llama.

La propiedad de autocuración se puede lograr mediante enfoques físicos y químicos que incluyen difusión y flujo, efectos de memoria de forma, sistemas de autocuración heterogéneos, reforma y reorganización de enlaces covalentes, interacción de enlaces de hidrógeno, acción de enlaces de coordinación de metales y dinámica de la química supramolecular o combinaciones de los mismos23,24,25. Entre ellos, el enlace de hidrógeno es el método más sencillo de realizar. Como enlaces no covalentes dinámicos típicos, la importación de enlaces de hidrógeno confiere al hidrogel una excelente propiedad de autocuración sin otra fuente y mejora la capacidad de retención de agua del hidrogel26,27,28,29,30. MXene, un nanomaterial inorgánico 2D con muchos grupos funcionales (–OH, –F, etc.) terminalmente31,32,33,34,35, puede formar muchos enlaces de hidrógeno con PVA y PA y promover el grado de gelificación del PVA como agente de reticulación para mejorar las propiedades mecánicas del hidrogel, lo que contribuye en gran medida a las propiedades de autocuración y alta retención de agua36. Además, la alta estabilidad térmica y la estructura de nanoláminas de MXene pueden mejorar aún más el retardo de llama del hidrogel. Lin et al. MXene añadido al recubrimiento de hidrogel de quitosano aplicado sobre RPUF, disminuyó significativamente la HRR y la THR en un 57,2% y un 65,5%37, lo que demuestra la excelente propiedad retardante de llama de MXene.

Por lo tanto, para abordar este problema, en este trabajo se preparó una madera retardante de llama basada en un recubrimiento de hidrogel de PVA/PA/MXene autocurativo, de alta retención de agua y retardante de llama mediante un método sencillo. El recubrimiento de hidrogel se obtuvo mediante el método de un solo recipiente y un ciclo de congelación-descongelación y se aplicó sobre la madera con una cuchilla. Se utilizó una prueba de tracción para detectar las propiedades mecánicas del hidrogel M y se realizaron propiedades de autorreparación y retención de agua para comprobar la larga vida útil del recubrimiento de hidrogel. Se realizaron pruebas UL-94, a fuego abierto y de calorimetría de cono (CCT) para explorar el retardo de llama de las maderas recubiertas de hidrogel M. El revestimiento de hidrogel M confiere a la madera una excelente resistencia al fuego. Los mecanismos de mejora de la propiedad se han detallado en detalle.

PVA (Mw ~ 145.000) se obtuvo de Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. (Shanghai, China). La solución de PA (50% en peso, en agua) se adquirió de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. El LiF (fluoruro de litio) se obtuvo de Macklin Biochemical Co., Ltd. (Shanghai, China). El HCl (ácido clorhídrico, 36,0–38,0% en peso, en agua) fue proporcionado por la fábrica de reactivos químicos de Guangzhou (Guangzhou, China). Ca(OH)2 (hidróxido de calcio, 95,0% en peso) se obtuvo de Fuchen Chemical Reagent CO., Ltd. (Tianjin, China). El polvo MAX (Ti3Al2C2) (~ malla 400) fue suministrado por Kai Xi Ceramic Materials Co., Ltd. (Yantai, China). Los materiales mencionados anteriormente se usaron tal como se recibieron sin purificación adicional.

Las nanohojas de MXene se sintetizaron mediante el método de grabado y delaminación. La solución de grabado se preparó añadiendo 4 g de LiF a 60 ml de HCl y 20 ml de agua desionizada, seguido de agitación durante 30 minutos. Luego se agregaron lentamente 4 g de MAX a la solución y el tiempo de agitación duró aproximadamente 24 h. La suspensión ácida se lavó con agua desionizada hasta un valor de pH superior a 5 mediante centrifugación a 3500 rpm (5 min por ciclo) durante aproximadamente 3 veces. A continuación, el agua desionizada se reemplazó por alcohol y la suspensión se sometió a ultrasonidos durante 2 h y se centrifugó a 10.000 rpm durante 10 min. Posteriormente, el alcohol se reemplazó por agua desionizada y se sometió a ultrasonidos durante 20 min. Por último, el sobrenadante se recogió mediante centrifugación a 3500 rpm durante 5 minutos y se liofilizó para obtener el polvo de MXene.

Se preparó M-hidrogel y madera recubierta con M-hidrogel de la siguiente manera: primero, se añadió agua desionizada en 15 ml de PA hasta que el peso alcanzó los 30 g. Luego, se mezclaron polvo de PVA y MXene en solución de PA con el método de un solo recipiente y la mezcla se agitó durante 2 h a 95 °C para obtener el prehidrogel. Finalmente, se proporcionó M-hidrogel después de un ciclo de congelación-descongelación de pre-hidrogel y se obtuvo madera recubierta de M-hidrogel con pre-hidrogel recubierto sobre madera mediante cuchillas seguido de un ciclo de congelación-descongelación. Los detalles de los componentes se enumeran en la Tabla 1.

La morfología de la madera recubierta con hidrogel M y de la madera sin recubrir se caracterizó mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM, Merlin, Alemania Zeiss) equipado con un sistema de rayos X de dispersión de energía (EDX). Se utilizó espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS, Kratos Axis Ulra DLD, Gran Bretaña) para analizar la composición química de las muestras de hidrogel. Los grupos funcionales de M-hidrogeles y MXene se detectaron mediante un espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier (espectrómetro FTIR, VERTEX 70, Bruker German). Se realizó difracción de rayos X (XRD, D8 ADVANCE, Bruker) para evaluar la estructura de la corteza cerebral de MXene. La estabilidad térmica de las muestras de hidrogel se evaluó mediante un analizador termogravimétrico (TGA, NETZSCH STA 449F3 Alemania) con una velocidad de calentamiento de 10 ℃ min-1 bajo un flujo de N2 de 60 ml min-1 de 30 a 800 °C.

Las curvas tensión-deformación se obtuvieron mediante una máquina de tracción electrónica universal con una velocidad de tensión de 300 mm min-1 (Shimadzu, Japón), el tamaño de las muestras de hidrogel con cinta con mancuernas es de 30 × 5 × 3 mm3. Las muestras de prueba de tensión-deformación y de adhesión se realizaron al menos cinco veces. Se realizó una prueba de rayado cruzado para evaluar la adhesión del recubrimiento de hidrogel M según la designación ASTM: D 3359–97.

Para evaluar la propiedad de autocuración del M-hidrogel, la muestra se cortó en dos pedazos y se juntaron con la superficie de fractura en contacto. Se roció un poco de agua sobre la grieta y luego la muestra se colocó en el ambiente durante la noche. La prueba de retención de agua se realizó en un ambiente ambiente con una temperatura de 25 °C y una humedad relativa del 60 %. La propiedad de hinchamiento se examinó sumergiendo las muestras en agua desionizada y pesándolas cada hora.

Se utilizó UL-94 (CFZ-2 Analytical Instrument company, Jiangning, China) para evaluar el retardo de llama de todas las muestras, el tamaño es 125 × 13 × 3 mm3, según ASTM D 3801. Se realizó una prueba de fuego abierto para hidrogel- madera recubierta y madera sin recubrir exponiendo muestras (50 × 50 × 3 mm3) directamente a la llama de un soplete de propano (≈ 2000 °C) durante 20 s. La longitud del soplete de propano se controló en aproximadamente 5 cm y el ángulo entre la muestra y la llama se fijó en 90°. La prueba CCT se realizó en un calorímetro de cono (FTT, Reino Unido) a un flujo de calor de 50 kW m-2 con dimensiones de muestra de 100 × 100 × 3 mm3, de acuerdo con la norma ISO 5660-1. La distancia entre la superficie de las muestras y el cono fue de 60 mm. Para la prueba de resistencia al calor, se utilizó una cámara infrarroja para registrar la velocidad de aumento de temperatura de las muestras recubiertas y no recubiertas de hidrogel.

MXene se obtuvo grabando la capa de Al de MAX y luego se deslaminó mediante sonicación (Fig. S1). El pico de difracción a 6,8° en el resultado XRD (Fig. S2) y los picos de vibración a 3450 cm-1, 1368 cm-1 (–OH), 550 cm-1 (Ti-O) en el resultado FTIR (Fig. S3) demuestran la preparación exitosa de MXene38. El proceso de síntesis de M-hidrogel se puede dividir en dos partes: (I) se mezclaron PVA, PA y MXene en agua DI y la mezcla se agitó a 95 °C durante 2 h para preparar el pre-hidrogel. (II) Luego se pudo obtener M-hidrogel después de congelar el prehidrogel en el refrigerador durante la noche y descongelarlo a temperatura ambiente. En nuestro trabajo anterior, se demostró que la PA podría mejorar el rendimiento mecánico del hidrogel al promover el grado de gelificación39. MXene aquí podría hacer la misma contribución como agente gelificante que formó más enlaces de hidrógeno. Para obtener la madera recubierta de hidrogel M, el prehidrogel se aplicó sobre la superficie de la madera mediante una cuchilla y el espesor se controló a 300 µm, luego la madera con el recubrimiento experimentó un ciclo de congelación y descongelación para obtener la madera recubierta de hidrogel M. madera (Fig. 1a). El componente del hidrogel (PVA, PA, MXene) puede formar enlaces de hidrógeno con la celulosa de la madera, lo que asegura la adhesión entre el M-hidrogel y la madera. Todas las muestras se denominan Mx-hidrogel, en el que x representa el contenido de MXene. Los detalles de los componentes de diferentes muestras se pueden ver en la Tabla 1.

El proceso de síntesis y caracterización de M-hidrogel, madera recubierta con M-hidrogel y sin recubrir. (a) La ilustración de los procedimientos de preparación de madera recubierta de hidrogel y de hidrogel. (b) espectros FTIR y (c) XPS de hidrogel M0 y M0.3. Imagen SEM de la superficie de (d) madera pura, (e) madera recubierta de hidrogel M0, (f) madera recubierta de hidrogel M0.3 y (g) la estructura de la sección transversal de madera recubierta de hidrogel M0.3. (h) EDX del hidrogel M0.3.

El efecto sobre el hidrogel con la introducción de MXene se exploró mediante espectros FTIR (Fig. 1b) y XPS (Fig. 1c). Se puede observar un pico característico distinto en M0 y M0.3 a 962 cm-1 y 983 cm-1, que debe asignarse al pico de vibración de PA40. En comparación con M0, aparecieron nuevos picos de adsorción a 786 cm-1 y 668 cm-1 en M0.3. Estos dos picos característicos pueden deberse a vibraciones de deformación cuando los grupos hidroxilo (–OH) contenidos en PVA y PA interactúan con el grupo funcional de MXene bajo la formación de un enlace de hidrógeno41. XPS muestra que, a excepción de P (135 eV), C (284 eV), O (532 eV), los elementos característicos de Ti (450 eV) y F (686 eV) surgen en la muestra M0.3 resultante del componente MXene. Además, como se muestra en la Fig. 1h, los resultados de EDX del hidrogel M0.3 confirman que los ingredientes se mezclan uniformemente. Todas las pruebas anteriores demuestran que el M-hidrogel se sintetiza con éxito. Las imágenes SEM revelan la morfología de la madera recubierta y no recubierta con hidrogel M. La superficie de la madera pura es rugosa y se pueden ver muchas grietas debido a la gran cantidad de fibras de madera (Fig. 1d). Cabe señalar que la apariencia de la madera recubierta con hidrogel M es suave y todas las grietas están selladas, lo que contribuiría positivamente a la retardación de la llama (Fig. 1e, f). La imagen de la sección transversal en la Fig. 1g muestra el revestimiento combinado con madera con un espesor de 300 µm. No sólo puede garantizar el retardo de llama, sino que tampoco daña las propiedades mecánicas de la madera.

Las propiedades mecánicas del M-hidrogel se evaluaron mediante pruebas de tracción. Como se muestra en la Fig. 2a, con un mayor contenido de MXene, la tensión y la tensión del M-hidrogel aumentan significativamente. La tensión y la deformación del hidrogel M0, M0.1, M0.2, M0.3 podrían alcanzar 0.076, 0.084, 0.105, 0.124 MPa y 150%, 220%, 280%, 310%, respectivamente. La mejora en las curvas de tensión-deformación del M-hidrogel se puede atribuir a más enlaces de hidrógeno y a un entrelazamiento más fuerte de la cadena de polímero con la importación de MXene42. Los grupos funcionales de MXene pueden formar enlaces de hidrógeno con PVA y PA, lo que da como resultado más enlaces de hidrógeno en el M-hidrogel. Además, MXene puede actuar como agente gelificante en M-hidrogel para aumentar el entrelazamiento de las cadenas de PVA. Las dos razones son los principales factores que contribuyen al fortalecimiento del M-hidrogel. El módulo de elasticidad a la tracción y el límite elástico del hidrogel M0, M0.1, M0.2, M0.3 son 0.048, 0.047, 0.038, 0.036 MPa y 0.017, 0.018, 0.020, 0.023 MPa (Fig. 2b). Un módulo de límite elástico de tracción más bajo y un módulo de límite elástico de tracción más alto significan menos rigidez del hidrogel M y puede soportar una mayor deformación, que son coherentes con los resultados de las curvas de tensión-deformación. Además, el hidrogel M0.3 se puede torcer, anudar y resistir el peso de 500 g, lo que refleja las excelentes propiedades mecánicas del hidrogel M0.3 (Figs. S4, S5). Como revestimiento ignífugo, la adherencia es otro aspecto importante a considerar. Realizamos una prueba de rayado cruzado para investigar la adhesión del recubrimiento de hidrogel M0.3 sobre madera. Según la Fig. 2c, no se cae uniformemente ningún recubrimiento después de la prueba de la cinta. El resultado muestra una maravillosa adherencia del recubrimiento de hidrogel M0.3 sobre la madera.

Las propiedades mecánicas, la autocuración, la retención de agua y la proporción de hinchamiento del M-hidrogel. (a) Se insertan las curvas tensión-deformación del M-hidrogel y la fotografía física. (b) Módulo elástico de tracción y límite elástico de tracción del M-hidrogel. (c) Prueba de rayado cruzado de madera recubierta de hidrogel M0.3. (d) La ilustración esquemática del principio de autocuración del M-hidrogel. (e) Retención de agua del M-hidrogel, W0 y W representan el peso original y actual de los hidrogeles. (f) Relación de hinchazón del M-hidrogel y (g) las fotografías del M-hidrogel en diferentes tiempos de inmersión.

Se debe considerar que cuando aparece una grieta, tendría un efecto adverso sobre el retardo de llama, ya que un recubrimiento denso es esencial para la protección contra incendios, por lo que la autocuración es importante. Para explorar el principio de autocuración del hidrogel M, cortamos un hidrogel cuboide M0.3 en dos bloques, luego se contactó estrechamente con la sección de fractura y se roció un poco de agua. Finalmente, los dos bloques de hidrogel se autocuraron hasta formar un hidrogel completo durante la noche en un ambiente ambiente (Fig. S6). La ilustración esquemática del principio de autocuración del M-hidrogel se demuestra en la Fig. 2d. Cuando el hidrogel se cortó en dos pedazos, se destruyeron los enlaces de hidrógeno entre el hidrogel. Sin embargo, como enlaces no covalentes dinámicos y reversibles, los enlaces de hidrógeno podrían reconstruirse cuando la sección de fractura entra en contacto con pulverización de agua, lo que garantiza la propiedad de autocuración del M-hidrogel43.

Como revestimiento ignífugo, el agua es crucial para el M-hidrogel en cuanto a retardo de llama. Los hidrogeles convencionales perdieron su agua fácilmente debido a la evaporación44. En nuestro trabajo anterior, hemos demostrado que la fotovoltaica podría mejorar significativamente la retención de agua del hidrogel de PVA al generar más enlaces de hidrógeno entre PVA y PA45. Aquí se agregó MXene por el mismo motivo. Es gratificante que todas las muestras de hidrogel M mantengan su peso por encima del 90% después de 15 días con una temperatura de 25 °C y una humedad relativa del 60% (Fig. 2e). Se enumeró la comparación del mantenimiento del agua de este trabajo con otros recubrimientos de hidrogel (Tabla S1) para verificar la excelente capacidad de agua del hidrogel PVA/PA/MXene. Se realizaron más experimentos para investigar la capacidad de adsorción de agua de los M-hidrogeles. Los resultados en la Fig. 2f muestran que con el aumento del contenido de MXene, la capacidad de agua del M-hidrogel también aumenta. La proporción de hinchamiento del hidrogel M0, M0.1, M0.2, M0.3 puede alcanzar el 26,16 %, 28,39 %, 29,16 % y 31,08 %, respectivamente. Este fenómeno debe atribuirse a una mayor interacción de enlaces de hidrógeno debido a que hay más MXene y los grupos funcionales en MXene (–F, –OH) dotan al hidrogel M0.3 de una mayor capacidad de adsorción de agua46. Las fotografías del hidrogel M0 y M0.3 bajo diferente adsorción de agua se enumeran en la Fig. 2g. Cuando se sumerge en agua durante el mismo tiempo, el hidrogel M0.3 es más grande que el hidrogel M0. En la Fig. S7 se muestran otras imágenes de capacidad de agua del hidrogel M. Todos los hidrogeles M sumergidos en agua exhiben el mismo fenómeno, que coincide con los resultados de la Fig. 2f.

Se realizaron pruebas UL-94 para evaluar la clasificación de retardante de llama de la madera recubierta y no recubierta con hidrogel M y los t1, t2 se enumeran en la Tabla 2. Durante la prueba, la madera pura (Fig. 3a) se encendió después de los primeros 10 s. arde y no puede distinguirse por sí mismo hasta que se quema, lo que muestra su inflamabilidad intrínseca y riesgo de incendio y la clasificación debe clasificarse en V2. Obviamente, toda la madera recubierta con M-hidrogel no se encendió incluso después de la segunda combustión durante 10 s, como se muestra en las figuras 3b-e, lo que demuestra la excelente retardancia de llama de los recubrimientos de M-hidrogel. Las fotografías de la madera recubierta y no recubierta con hidrogel M después de la prueba UL-94 se pueden ver en la Fig. S8. Los datos relacionados de toda la madera recubierta con hidrogel M en t1 y t2 son 0 s enumerados en la Tabla 2, lo que indica que toda la madera recubierta con hidrogel M puede alcanzar la clasificación V0.

Comportamiento de combustión de muestras recubiertas y no recubiertas de hidrogel M. Las fotografías de la prueba UL-94 de (a) madera, (b) M0, (c) M01, (d) M0.2 y (e) M0.3 madera recubierta de hidrogel. (f) La imagen del proceso de prueba de fuego abierto. (g) Las fotografías de madera pura y madera recubierta de hidrogel M en prueba de fuego abierto. (h) Las imágenes SEM de la capa de carbón de (h) madera pura, (i) M0 y (j) madera recubierta de hidrogel M0.3 después de una prueba de fuego abierto.

Se realizaron pruebas de fuego abierto para ver intuitivamente el efecto del revestimiento ignífugo. Las muestras fijadas en la abrazadera se controlaron a una distancia de 5 cm del cañón de llama (Fig. 3f). En la Fig. 3g, después de 20 s de encendido, hay una llama más intensa en la superficie de la madera pura en comparación con la madera recubierta con hidrogel M (las muestras recubiertas con hidrogel M0.1 y M0.2 se pueden ver en la Fig. S9). Esto se debe a que cuando la temperatura alcanza cierto punto, la humedad interna de la madera se evapora por completo, entonces el material de la superficie comienza a descomponerse gradualmente carbonizándose, produciendo gases combustibles y formando una llama de combustión estable. Pero los recubrimientos de hidrogel M contienen más agua, lo que podría retrasar efectivamente el proceso y no se observan daños en la madera recubierta de hidrogel M0 y M0.3. Además, la capa de carbón formada por los recubrimientos de hidrogel es más densa que la madera pura a los 40 s. Las imágenes SEM se aplican para evaluar más a fondo la estructura de la capa de carbón. Está claro que la capa carbonizada de madera pura (Fig. 3h) está suelta y demuestra una dispersión fibrosa que muestra una pobre capacidad de resistencia al calor. Significativamente, la capa carbonizada del recubrimiento de hidrogel M0 (Fig. 3i) es densa y suave con una estructura de capa laminar. Aunque todavía se pueden ver grietas, muestra una mejor capacidad de resistencia al calor y al O2. En cuanto a la madera recubierta de hidrogel M0.3, la capa de carbón es la más densa y apareció una estructura de expansión, exhibiendo el mejor efecto de resistencia al calor y al O2 en pruebas abiertas y la mejor función ignífuga (Fig. 3j). Esto se debe a que la estructura laminar de MXene puede actuar como una buena barrera física y la capa de carbón es faveolada, lo que muestra la mejor capacidad de resistencia al calor entre las muestras. Además, el revestimiento ignífugo de hidrogel M podría ampliarse su aplicación. Cuando se usa en RPUF, también exhibe un excelente retardo de llama (Fig. S10).

La prueba CCT se realizó para evaluar más a fondo la seguridad contra incendios del recubrimiento de hidrogel M y los parámetros principales se enumeran en la Tabla 2. Según los resultados, el tiempo de ignición (TTI) de la madera pura es de 32 s, mientras que la madera recubierta de hidrogel M M0, M0.1, M0.2 y M0.3 se prolongan a 64 s, 74 s, 66 s y 69 s, respectivamente (Fig. 4c). Los resultados muestran la función del agua contenida en los recubrimientos de hidrogel para limitar la propagación del fuego desde la superficie al interior de la madera. Se demuestra aún más en los resultados de la tasa de liberación de calor (HRR) y la liberación de calor total (THR) en la Fig. 4a, b. Hay dos picos en las curvas HRR de madera pura. Cuando la temperatura alcanza aproximadamente 250 °C, se generan gases de combustión de H2 y CH4 junto con la carbonización de la superficie de la madera. Estos gases se encienden a la temperatura de ignición bajo recursos de calor y luego aparece un fuego en el interior, lo que genera el primer pico. Cuando el fuego se propaga a la superficie de la capa carbonizada, no se descomponen los gases de combustión de la madera y se aplica combustible a partir de la materia volátil del interior de la madera. En esta circunstancia, la llama ardiente cambia a combustión sin llama y aparece el segundo pico. En comparación con la madera pura, también hay dos picos en las curvas HRR de la madera recubierta de hidrogel M0, pero el tiempo de aparición de los dos picos es posterior al de la madera pura. Esto se debe a que el recubrimiento de hidrogel M0 podría aislar el O2 del contacto con la madera en condiciones de calentamiento. Vale la pena señalar que solo aparece un pico en las curvas HRR de madera recubierta de hidrogel M0.1, M0.2 y M0.3. Esto puede atribuirse a la capa de carbón más densa que se forma con la introducción de MXene, que aumenta significativamente la capacidad de resistencia al calor del recubrimiento de hidrogel, lo que da como resultado que se produzca una llama ardiente y un fenómeno de combustión sin llama al mismo tiempo. Además, el tiempo de aparición de la tasa máxima de liberación de calor (pHRR) y la liberación total de calor (THR) de la madera pura y de la madera recubierta de hidrogel M0, M0.1, M0.2 y M0.3 es 70, 75, 90, 95, 95 s y 23,96, 16,41, 14,65, 14,72, 15,30 MJ/m2, respectivamente. Los resultados muestran una mejor capacidad ignífuga del recubrimiento de hidrogel con la introducción de MXene. Vale la pena señalar que con el aumento del contenido de MXene, hay un ligero aumento en HRR y THR. Quizás sea porque más MXene aporta más elemento C, lo que resulta en un aumento de HRR y THR. Pero el pequeño aumento puede ignorarse, ya que sigue siendo inferior a la madera recubierta de hidrogel M0 en HRR y THR. Para comparar el rendimiento ignífugo de este trabajo con otros trabajos, enumeramos una tabla para mostrar la excelente capacidad ignífuga del recubrimiento de hidrogel M en el campo de la madera ignífuga (Tabla S2).

Estabilidad térmica y mecanismo ignífugo de los recubrimientos de hidrogel M. Resultados CCT de madera recubierta y no recubierta con hidrogel M. (a) HRR, (b) THR, (c) TTI. (d) Resultados de transferencia de calor de madera pura, madera recubierta de hidrogel M0 y M0.3. ( e, f ) Curvas TG y DTG de hidrogeles M0 y M0.3. (g) La ilustración esquemática de los mecanismos retardantes de llama de los recubrimientos de hidrogel M.

Como propiedad crítica, la capacidad de resistencia al calor del M-hidrogel se evalúa mediante una cámara infrarroja. El lado de las muestras recubierto de hidrogel M se expone a un fuego abierto, mientras que la temperatura de la parte posterior se registra mediante una cámara infrarroja y los resultados se pueden ver en la Fig. 4d. Para la madera pura, la temperatura de la parte posterior aumenta rápidamente a 150 ℃, mientras que la madera recubierta de hidrogel M0 y M0.3 muestra una excelente capacidad de resistencia al calor. A aproximadamente 100 °C, el aumento de temperatura de la madera recubierta de hidrogel M0 y M0.3 parece un retraso significativo. Esto se debe a que la evaporación del agua en el recubrimiento de hidrogel aporta la mayor parte del calor. Además, la temperatura de la madera recubierta de hidrogel M0.3 se mantiene por debajo de 100 °C de 100 a 175 s, lo que se puede atribuir a la capa de carbón más densa formada por el recubrimiento de hidrogel M0.3 que resiste más calor.

Los resultados del análisis termogravimétrico (TGA) y de la gravedad térmica diferencial (DTG) se proporcionan para explorar la propiedad térmica en la Fig. 4e,f y los datos relacionados se enumeran en la Tabla 3. T10% aparece a 130,56 y 125,86 °C de M0 y M0. 3 hidrogeles. El proceso de descomposición del hidrogel M0 y M0.3 se puede dividir en 5 partes. TI y TII a 130,12, 162,25 y 130,68, 158,33 °C de hidrogel M0 y M0,3 se pueden atribuir a la deshidratación del hidroxilo de PVA y PA. TIII y TIV a 310,28, 435,42 y 258,35, 327,06 °C de hidrogel M0 y M0.3 se pueden asignar a la descomposición de la cadena lateral y la cadena principal de PVA. TV surge a 644,41 y 678,45 °C de hidrogel M0 y M0.3 y puede explicarse como el proceso de descomposición de los grupos fitato en PA47. Cuando la temperatura alcanza los 800 °C, la masa restante del hidrogel M0 y M0.3 es 26,96% y 30,58%, lo que demuestra la mejora de la estabilidad térmica en el hidrogel con la introducción de MXene.

Según todos los resultados de los experimentos anteriores, los mecanismos retardantes de llama se pueden atribuir de la siguiente manera (Fig. 4g): (I) Efecto de enfriamiento debido a la gran capacidad calorífica y la entalpía de la evaporación del agua. (II) La PA, como retardante de llama a base de fósforo, promueve la deshidratación de la madera en carbono y prolonga el proceso de combustión al rojo vivo de la madera. (III) Capa de carbón más densa y dura debido a la introducción de MXene, que aísla la mayor parte del O2 y la propagación del calor.

Se desarrolló y aplicó un revestimiento ignífugo de hidrogel de PVA/PA/MXene sobre madera mediante un sencillo método de calentamiento en un solo recipiente y ciclo de congelación-descongelación. El recubrimiento demuestra una excelente propiedad de autocuración (sin otra fuente) y una alta retención de agua (contenido de agua ≥ 90%) debido al aumento de los enlaces de hidrógeno con la introducción de MXene. Además, la madera recubierta de hidrogel PVA/PA/MXene muestra un retardo de llama mejorado, como alcanzó la calificación V0 en la prueba UL-94, aumentó el TTI (de 32 a 69 s) y disminuyó HRR y THR en un 41,6% y un 31,64% en CCT. pruebas, respectivamente. Múltiples mecanismos retardantes de llama de (I): efecto refrescante y gran capacidad térmica del alto contenido de agua dentro del hidrogel; (II) la promoción de la formación de capas de carbón debido al PA (retardante de llama a base de fósforo); (III) la capa compacta de carbón formada durante la combustión debido al MXene mejora el efecto de barrera física para el gas inflamable, el calor y el oxígeno; los mecanismos ignífugos anteriores garantizan la seguridad contra incendios de la madera. Además, el revestimiento ignífugo podría aplicarse a otros materiales de ingeniería (RPUF), lo que demuestra su amplia aplicación en materiales estructurales con requisitos de seguridad contra incendios.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Östman, B. Normas nacionales contra incendios para el uso de madera en edificios: revisión mundial 2020. Wood Mat. Ciencia. Ing. 17, 2–5 (2021).

Artículo de Google Scholar

Sun, X., He, M. & Li, Z. Nuevos compuestos de madera y bambú diseñados para aplicaciones estructurales: tecnología de fabricación de última generación y evaluación del rendimiento mecánico. Construcción Construir. Madre. 249, 118751 (2020).

Artículo de Google Scholar

Lazarevic, D., Kautto, P. & Antikainen, R. Sistema de innovación de construcción de varios pisos con estructura de madera de Finlandia: análisis de los motores de destrucción creativa. Para. Economía de políticas. 110, 101861 (2020).

Artículo de Google Scholar

Cabral, MR & Blanchet, P. Estado del arte de la eficiencia energética general de los edificios de madera: descripción general y posibilidades futuras. Materiales (Basilea) 14, 1848 (2021).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Churkina, G. et al. Los edificios como sumidero global de carbono. Nat. Sostener. 3, 269–276 (2020).

Artículo de Google Scholar

Sesseng, C., Reitan, NK, Storesund, K., Mikalsen, RF y Hagen, BC Efecto de la granularidad de las partículas sobre el fuego latente en astillas de madera elaboradas a partir de desechos de madera: un estudio experimental. Mate de fuego. 44, 540–556 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Boran Torun, S., Donmez Cavdar, A. y Ozdemir, T. El efecto sinérgico del recubrimiento intumescente que contiene dióxido de titanio y trióxido de antimonio sobre especies de madera de abeto y aliso. J. Construir. Ing. 31, 101407 (2020).

Artículo de Google Scholar

Lin, C.-F. et al. Madera furfurilada tratada ignífuga y resistente a la lixiviación mediante la incorporación de fosfato de guanilurea. Estera de madera. Ciencia. Ing. 16, 429–431 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Soula, M., Samyn, F., Duquesne, S. y Landry, V. Tratamiento innovador con polielectrolitos para madera retardante de llama. Polímeros (Basilea) 13, 2884 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Hu, X. & Sun, Z. Recubrimiento ignífugo intumescente dopado con hidróxido doble en capas nano CaAlCO3 para mitigar los riesgos de incendio de madera. J. Construir. Ing. 44, 102987 (2021).

Artículo de Google Scholar

Zhou, L. & Fu, Y. Compuestos de madera ignífugos basados en la inmovilización con revestimientos de quitosano/fitato de sodio/nano-TiO2-ZnO mediante autoensamblaje capa por capa. Recubrimientos 10, 296 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Ma, G., Wang, X., Cai, W., Ma, C., Wang, X., Zhu, Y., Kan, Y., Xing, W., Hu, Y., Preparación y estudio del nitrógeno - y revestimientos resistentes al fuego que contienen fósforo para madera mediante métodos de curado UV. Frente. Madre. 9 (2022).

Soula, M. et al. Efecto de una fina capa de organosilicio preparada mediante plasma a presión atmosférica sobre la retardación de llama de la madera. Proceso de plasma. Polimero. 19, 2200051 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

de Hoyos-Martinez, PL, Issaoui, H., Herrera, R., Labidi, J. & Charrier-El Bouhtoury, F. Recubrimientos ignífugos para madera a base de resinas fenólicas de base biológica. Sostenimiento ACS. Química. Ing. 9, 1729-1740 (2021).

Artículo de Google Scholar

Chu, T., Gao, Y., Yi, L., Fan, C., Yan, L., Ding, C., Liu, C., Huang, Q., Wang, Z., Óptico altamente ignífugo Madera habilitada por revestimientos transparentes ignífugos. Adv. Compos. Materia híbrida. (2022).

Jiao, Q. y col. Hidrogel zwitteriónico con alta transparencia, ultraestirabilidad y notable resistencia a la congelación para sensores de tensión portátiles. Biomacromol 22, 1220–1230 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Qin, Z. y col. Nanotubos de carbono/hidrogeles asociados hidrófobamente como sensores de tensión y presión ultraestirables, altamente sensibles y estables. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 12, 4944–4953 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Han, S. y col. Hidrogel de red conductiva dual para un sensor de tensión altamente conductivo, autorreparable, anticongelante y que no se seca. Aplicación ACS. Polimero. Madre. 2, 996–1005 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Li, S., Cong, Y. & Fu, J. Bioelectrónica de hidrogel adhesivo tisular. J. Mater. Química. B 9, 4423–4443 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Liu, J., Qu, S., Suo, Z. y Yang, W. Recubrimientos funcionales de hidrogel. Nacional. Ciencia. Rev.8, nwaa254 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Huang, Y. et al. Espuma de poliuretano rígida ignífuga, ecológica, resistente y altamente eficiente gracias a recubrimientos de hidrogel de doble red. Materia blanda 17, 10555–10565 (2021).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Zhang, L., Huang, Y., Sun, P., Hai, Y. & Jiang, S. Un recubrimiento de biogel a base de gelatina ignífugo, autocurativo, reciclable y degradable para edificios ecológicos. Materia blanda 17, 5231–5239 (2021).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Li, CH & Zuo, JL Polímeros autorreparables basados en enlaces de coordinación. Adv. Madre. 32, e1903762 (2020).

Google Académico

Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. y Zhang, L. Elastómero autorreparable universalmente autónomo con alta capacidad de estiramiento. Nat. Comunitario. 11, 2037 (2020).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Wang, S. & Urban, MW Polímeros autorreparables. Nat. Rev. Mater. 5, 562–583 (2020).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Wen, N. y col. Avances recientes en materiales autorreparantes: mecánica, rendimiento y características. Reaccionar. Función. Polimero. 168, 105041 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Chen, L., Shao, J., Yu, Q. y Wang, S. Hidrogel de alcohol polivinílico autocurativo, elástico y antifatiga de alta resistencia basado en enlaces de borato y enlaces de hidrógeno. J. Dispers. Ciencia. Tecnología. 43, 690–703 (2020).

Artículo de Google Scholar

Ou, Y. & Tian, M. Avances en hidrogeles autocurativos multifuncionales a base de quitosano para aplicaciones biomédicas. J. Mater. Química. B 9, 7955–7971 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, A. y col. Efecto de las propiedades mecánicas sobre el comportamiento de autorreparación de recubrimientos de poliuretano al agua. J. Aplica. Polimero. Ciencia. 139, 52364 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, W. y col. Logros recientes en materiales autorreparantes basados en líquidos iónicos: una revisión. J. Mater. Ciencia. 55, 13543–13558 (2020).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Gao, L. y col. Membranas MXene/polímero: síntesis, propiedades y aplicaciones emergentes. Química. Madre. 32, 1703-1747 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Li, K. y col. Arquitecturas 3D MXene para almacenamiento y conversión de energía eficiente. Adv. Función. Madre. 30, 2000842 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Liu, A. y col. Progresos recientes en materiales basados en MXene: posibles electrocatalizadores de alto rendimiento. Adv. Función. Madre. 30, 2003437 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Zhong, Q., Li, Y. y Zhang, G. Fotocatalizadores bidimensionales basados en MXene y derivados de MXene: desarrollos recientes y perspectivas. Química. Ing. J. 409, 128099 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Shekhirev, M., Shuck, CE, Sarycheva, A. & Gogotsi, Y. Caracterización de MXenes en cada paso, desde sus precursores hasta escamas individuales y películas ensambladas. Prog. Madre. Ciencia. 120, 100757 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Feng, Y. et al. Hidrogeles conductores de mxeno inspirados en los músculos con anisotropía y tolerancia a bajas temperaturas para sensores y matrices flexibles portátiles. Adv. Función. Madre. 31, 2105264 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Lin, B. y col. Nanorecubrimiento de MXene/quitosano para espuma de poliuretano flexible hacia reducciones notables del riesgo de incendio. J. Materia de peligro. 381, 120952 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Fan, X., Ding, Y., Liu, Y., Liang, J. & Chen, Y. Plasmonic Ti3C2Tx MXene permite una conversión fototérmica altamente eficiente para dispositivos portátiles curables y transparentes. ACS Nano 13, 8124–8134 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, S. y col. Preparación en un solo paso de un hidrogel de poli(alcohol vinílico)-ácido fítico altamente elástico, conductor y transparente para circuitos de escritura informales. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 11, 32441–32448 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Chen, A., Zhu, L. y Arai, Y. Investigación por RMN en solución de los mecanismos de adsorción del ácido fítico en la interfaz calcita-agua. Ciencia. Medio ambiente total. 840, 156700 (2022).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Huang, X., Wang, J. & Wang, L. Modificación de esterificación y caracterización de una membrana de intercambio aniónico de alcohol polivinílico para una pila de combustible de metanol directo. J. Polim. Res. 29, 1-16 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Guo, C. y col. Se impulsó el efecto del catión pi-Li en el electrodo de molécula orgánica pequeña estabilizado mediante enlaces de hidrógeno con MXene. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 14, 29974–29985 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Luo, X. y col. Un nanogenerador triboeléctrico multifuncional flexible basado en hidrogel MXene/PVA. Adv. Función. Madre. 31, 2104928 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Mredha, MTI, Le, HH, Cui, J. & Jeon, I. Recubrimiento doble hidrofóbico mediante enfriamiento para hidrogeles con fuerte resistencia tanto al secado como al hinchamiento. Adv. Ciencia. (Weinh) 7, 1903145 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Zhao, X. et al. Influencia del ácido fítico en el retardo de llama y mejora del rendimiento de adhesión del recubrimiento de hidrogel de poli (alcohol vinílico) al sustrato de madera. Prog. Org. Abrigo. 161, 106453 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, P., Yang, XJ, Li, P., Zhao, Y. & Niu, QJ Fabricación de nuevos hidrogeles nanocompuestos de MXene (Ti3C2)/poliacrilamida con propiedades mecánicas y de liberación de fármacos mejoradas. Materia blanda 16, 162–169 (2020).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Huang, Y. et al. Microesferas biodegradables hechas de poliorganofosfaceno conductor que muestran capacidad antioxidante para mejorar la regeneración ósea. Química. Ing. J. 397, 125352 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (22175066), la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Guangdong (Subvención No. 2019A1515011044), el Fondo de Apertura del Laboratorio Estatal Clave de Ciencias del Fuego (SKLFS; Subvención No. HZ2021-KF14) , el Fondo conjunto Guangdong-Guangxi (Subvención No. 2021A1515410003) y el Fondo de Inicio de Investigación Científica para Personal de Alto Calibre de Shenzhen de SZPT (No. 6022310043K).

Estos autores contribuyeron igualmente: Xiaojiong Zhao y Min Tian.

Instituto de Ciencias e Ingeniería de la Seguridad, Escuela de Ingeniería Mecánica y Automotriz, Universidad Tecnológica del Sur de China, Wushan Road 381, Guangzhou, 510641, República Popular de China

Xiaojiong Zhao, Min Tian y Saihua Jiang

Laboratorio clave provincial de técnicas y equipos para fabricación macromolecular avanzada de Guangdong, Universidad Tecnológica del Sur de China, Guangzhou, 510641, República Popular de China

Xiaojiong Zhao y Saihua Jiang

Laboratorio Estatal Clave de Ciencias del Fuego, Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Jinzhai Road 96, Hefei, 230026, República Popular de China

Saihua Jiang

Instituto de Investigación de Tecnología de Vehículos de Nuevas Energías, Politécnico de Shenzhen, Shenzhen, 518055, Guangdong, República Popular de China

Ruichao Wei

Escuela de Automóvil y Transporte, Politécnico de Shenzhen, Shenzhen, 518055, Guangdong, República Popular de China

Ruichao Wei

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

XZ: Conceptualización, Metodología, Investigación, Redacción—borrador original, Redacción—revisión y edición.MT: Conceptualización, Metodología, Investigación, Redacción—borrador original, Redacción—revisión y edición.SJ: Supervisión, Adquisición de fondos, Recursos, Redacción—revisión y edición.RW: Supervisión, Adquisición de fondos, Recursos. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Ruichao Wei o Saihua Jiang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Zhao, X., Tian, M., Wei, R. et al. Fabricación sencilla de un novedoso revestimiento de hidrogel/MXene autorreparable e ignífugo para madera. Informe científico 13, 1826 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28228-5

Descargar cita

Recibido: 03 de noviembre de 2022

Aceptado: 16 de enero de 2023

Publicado: 01 de febrero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28228-5

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.

Noticias