Nanoscale-轻若鸿毛，阻燃隔热的高强度纤维素气凝胶

2017-11-16 09:36:16 作者：本网整理来源：材料前沿科技分享至：

在建造现代节能建筑时，房屋保温功能的实现经常需要用到大量具有绝热功能的阻燃材料。纳米纤维素（CNF）气凝胶是一种优异的轻质热绝缘体，它具有来源广泛、可持续再生、绿色环保的优点，是目前构建节能建筑的新趋势。但是纤维素自身具有易燃的缺点，它的阻燃处理通常采用卤系或者磷系阻燃剂，这些阻燃剂虽然能够提高纤维素的阻燃性能，但是在燃烧时会放出有毒的卤化氢和含磷氧化物，对环境和人体造成危害。

有研究表明，二硫化钼（MoSO2）的熔点高达1185℃。在二硫化钼与聚合物的复合材料中，二硫化钼纳米片能够形成一种屏障，有效减少外界的热量与氧气的传播，同时抑制基材释放有毒的挥发性物质，具有较低的热导率和良好的阻燃性能。

基于此，美国东北大学的研究人员通过化学交联的方法，用超薄的1T金属相二硫化钼对纳米纤维素进行纳米包覆，利用冷冻干燥法制得一种气凝胶纳米复合材料。这种低密度的纤维素气凝胶具有高比强度、出色的阻燃能力和自熄灭能力，在房屋建造、航空航天的绝热阻燃材料上有良好应用前景。该成果发表在近期《Nanoscale》上。

1 制备流程

▲图1

（a）通过化学法和机械法将纳米纤维素（CNF）从天然木材管胞中分离出来。

（b）用水热法制备1T金属相的MoS2纳米片，MoS2的结构如红框所示。

（c） MoS2上的Mo4+与纤维素中的-COOH,-OH 发生化学交联，凝胶化反应后得到CNF/MoS2凝胶。

（d）冷冻干燥后制得的 CNF/MoS2气凝胶的照片，红框中是CNF/MoS2 复合材料的结构示意图。

2 力学性能

▲图2

（a）径向和（c）轴向的CNF/MoS2气凝胶的SEM照片。

（b）气凝胶的数码照片。

（d） MoS2, CNF,and CNF/MoS2 溶液的粘度曲线

（e） MoS2 在化学交联之前Mo 3d 的XPS谱图。

（f） CNF/MoS2 气凝胶中Mo3d 的XPS 谱图。

（g）表现气凝胶强度的数码照片，0.1g的气凝胶可支撑210g的荷载。

（h） CNF/MoS2 气凝胶在轴向/径向的应力-应变曲线。

（i）气凝胶在轴向和径向上的杨氏模量。

3 阻燃隔热性能

▲图3

（a）轴向和（b）径向的CNF/MoS2气凝胶的红外图像与温度分布

（c）轴向与（d）径向的轮廓模型的温度分布。

（e） CNF/MoS2 气凝胶在 1300 °C的丁烷火焰中垂直燃烧6s后的变化。

（f ） CNF 与CNF/MoS2气凝胶的TGA曲线图。

（g） of spectra in CNF/MoS2气凝胶在燃烧后C 1s的XPS谱图。

（h） CNF/MoS2 气凝胶在锥形量热测试过程的数码照片，该过程中没有出现连续的火焰。

参考文献：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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责任编辑：殷鹏飞

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