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Jan 06, 2024

新しい自分を簡単に作り上げる

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1826 (2023) この記事を引用

1691 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

木材の難燃性を向上させるために、簡単なワンポット加熱と凍結融解サイクル法により、保水性と自己修復性の高い新しいポリビニルアルコール/フィチン酸/MXene ハイドロゲルコーティングを開発し、木材の表面に塗装しました。 MXene ナノシートの存在によりコーティングシステム内の水素結合が増加するため、コーティングは優れた自己修復特性と大幅に向上した保水特性 (含水率 ≥ 90 wt%) を示します。 未加工の木材と比較して、塗装木材の難燃性は大幅に向上しています。たとえば、UL-94 テストで V0 評価に合格し、発火までの時間 (TTI、32 秒から 69 秒) が増加し、熱発生率と総熱発生量が減少します。 41.6％と36.14％。 高保水性ハイドロゲルの冷却効果と大きな熱容量、MXene ナノシートと燃焼中に形成される緻密な炭層による可燃性ガス生成物、熱、酸素に対する物理的バリア効果が、木材の難燃性向上に重要な役割を果たします。 MXene ナノシートの高い熱安定性も、もう 1 つの有益な要素です。 詳細な難燃性および自己修復メカニズムが提案されました。

環境に優しく、再生可能で軽量な建築材料として、木材は常に人々の注目を集めてきました1、2、3、4、5。 しかし、その本質的な可燃性の高さは火災の危険をもたらし、多大な経済的損失や死傷者を引き起こす傾向があります6、7、8、9。 木材の耐火性を向上させるためにさまざまな方法が開発されていますが、その中でも難燃性コーティングは木材に簡単に適用できるため、最も印象的な戦略です10、11、12、13。 たとえば、ペドロら。 は、リグニン、タンニン、無機ナノ粒子をベースとした耐火コーティングを提案しました。これにより、純粋な木材と比較して線形燃焼速度が 50% 大幅に減少しました 14。 チューら。 は、木材に優れた難燃性を与えるためにリン酸エステル - ポリエチレングリコールを耐火コーティングとして使用し、熱発生率 (HRR) と総熱発生率 (THR) を 82.4% と 84.3% 減少させました15。 しかし、これらの研究では、使用される材料が十分にグリーンではなく、耐火コーティングの調製プロセスがかなり複雑であるため、その広範な適用が制限されるため、加工が容易な耐火コーティング方法が必要とされています。

環境に優しく、調製が簡単な材料として、水分含有量が高く、毒性のない特徴を備えたヒドロゲルは、難燃性コーティングの理想的な候補であることが証明されています 16、17、18、19、20。 水分含有量が高いということは、ほとんどの熱が水の蒸発によって吸収される可能性があることを意味します。 非毒性の機能により、分解中に有毒な揮発性物質が放出されません。 これら 2 つの理由により、ヒドロゲルは優れた難燃性コーティング材料となります。 フンら。 ポリアクリル-ポリドーパミン二重ネットワークヒドロゲルをベースとした、環境に優しく、丈夫で効率の高い難燃性硬質ポリウレタンフォーム（RPUF）をUV硬化により合成しました21。 張ら。 グリーンビルディング用の二段階撹拌法により、自己修復性、リサイクル可能、分解性の難燃性ゼラチンベースのバイオゲルコーティングを調製しました22。 私たちの以前の研究では、ポリビニルアルコール/フィチン酸 (PVA/PA) ヒドロゲルをベースとした難燃性木材を設計し、PVA ヒドロゲルの難燃性と接着性に及ぼす PA の影響を調査しました。 ハイドロゲルコーティングは木材に難燃性を付与することができますが、長期使用や難燃性の向上を目指すには、自己修復性と高い保水性を実現する必要があります。

自己修復特性は、拡散と流動、形状記憶効果、不均一自己修復システム、共有結合の再形成と再シャッフル、水素結合相互作用、金属配位結合作用と超分子化学のダイナミクスなどの物理的および化学的アプローチによって実現できます。それらの組み合わせ23、24、25。 このうち水素結合は最も容易に実現できる方法です。 典型的な動的非共有結合として、水素結合の導入により、他の供給源なしでヒドロゲルに優れた自己修復特性が与えられ、ヒドロゲルの保水能力が強化されます26、27、28、29、30。 MXene は、末端に豊富な官能基 (-OH、-F など) を備えた 2D 無機ナノ材料 31,32,33,34,35 で、PVA および PA と多くの水素結合を形成し、架橋剤として PVA のゲル化度を促進します。ハイドロゲルの機械的特性を強化し、自己修復性と高い保水特性に大きく貢献します36。 さらに、MXene の高い熱安定性とナノシート構造により、ハイドロゲルの難燃性をさらに高めることができます。 リンら。 RPUF に塗布されたキトサン ハイドロゲル コーティングに MXene を添加すると、HRR と THR が 57.2% と 65.5% 大幅に減少し 37、MXene の優れた難燃特性が示されました。

そこで、この問題に対処するために、本研究では、自己修復性、高い保水性、難燃性を備えた PVA/PA/MXene ハイドロゲルコーティングをベースとした難燃性木材を簡単な方法で調製しました。 ハイドロゲルコーティングはワンポット法と凍結融解サイクルによって得られ、ブレードによって木材に塗布されました。 引張試験は M-ヒドロゲルの機械的特性を検出するために使用され、自己修復特性と保水特性はヒドロゲル コーティングの長寿命を確認するために実行されました。 M-ヒドロゲルでコーティングされた木材の難燃性を調査するために、UL-94、裸火試験、およびコーン熱量測定試験 (CCT) が実施されました。 M-ヒドロゲルコーティングは木材に優れた難燃性を与えます。 プロパティ強化メカニズムが詳細に説明されています。

PVA (Mw ～ 145,000) は、Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. (上海、中国) から入手しました。 PA 溶液 (50 wt%、水中) は Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. から購入しました。LiF (フッ化リチウム) は Macklin Biochemical Co., Ltd. (上海、中国) から入手しました。 HCl (塩酸、水中 36.0 ～ 38.0 wt%) は、広州化学試薬工場 (中国広州) から提供されました。 Ca(OH)2 (水酸化カルシウム、95.0 wt%) は Fuchen Chemical Reagent CO., Ltd. (天津、中国) から入手しました。 MAX (Ti3Al2C2) 粉末 (～メッシュ 400) は、Kai Xi Ceramic Materials Co., Ltd. (煙台、中国) から供給されました。 上述の材料は、さらに精製することなく、受け取ったままの状態で使用した。

MXene ナノシートはエッチング剥離法により合成されました。 エッチング溶液は、４ｇのＬｉＦを６０ｍｌのＨＣｌおよび２０ｍｌの脱イオン水に添加し、続いて３０分間撹拌することによって調製した。 次いで、４ｇのＭＡＸを溶液にゆっくりと添加し、撹拌時間を約２４時間続けた。 酸性懸濁液を、３５００ｒｐｍ（１サイクル当たり５分）での遠心分離により、ｐＨ値が５を超えるまで脱イオン水で約３回洗浄した。 次に、脱イオン水をアルコールに置き換え、懸濁液を 2 時間超音波処理し、10,000 rpm で 10 分間遠心分離しました。 続いて、アルコールを脱イオン水に置き換え、２０分間超音波処理した。 最後に、3500 rpm で 5 分間の遠心分離によって上清を収集し、凍結乾燥して MXene 粉末を得ました。

M-ヒドロゲルおよびM-ヒドロゲルでコーティングされた木材は、以下の方法で調製されました。まず、重量が30 gに達するまで、15 mlのPAにDI水を加えました。 次に、PVA と MXene 粉末をワンポット法で PA 溶液中で混合し、混合物を 95 °C で 2 時間撹拌してプレヒドロゲルを得ました。 最後に、プレヒドロゲルの凍結融解サイクル後に M-ヒドロゲルが提供され、ブレード加工とそれに続く凍結融解サイクルによって木材にプレヒドロゲルがコーティングされた M-ヒドロゲル被覆木材が得られました。 コンポーネントの詳細を表 1 に示します。

M-ヒドロゲルでコーティングされた木材とコーティングされていない木材の形態は、エネルギー分散型 X 線 (EDX) システムを備えた走査型電子顕微鏡 (SEM、マーリン、ドイツ Zeiss) によって特徴付けられました。 X 線光電子分光法 (XPS、Kratos Axis Ulra DLD、英国) を使用して、ヒドロゲルサンプルの化学組成を分析しました。 M-ヒドロゲルおよびMXeneの官能基は、フーリエ変換赤外分光計(FTIR分光計、VERTEX 70、Bruker German)によって検出されました。 MXene の地殻構造を評価するために、X 線回折 (XRD、D8 ADVANCE、Bruker) を実行しました。 ヒドロゲルサンプルの熱安定性は、熱重量分析装置 (TGA、NETZSCH STA 449F3 ドイツ) を使用し、60 mL min-1 の N2 流下で 10 ℃ min-1 の加熱速度で 30 ～ 800 °C まで評価しました。

応力 - ひずみ曲線は、引張速度 300 mm min-1 の万能電子引張機械 (島津製作所、日本) によって得られました。ダンベル テープ ハイドロゲル サンプルのサイズは 30 × 5 × 3 mm3 です。 応力-ひずみおよび接着試験のサンプルは少なくとも 5 回実行されました。 ASTM 指定: D 3359-97 に従って、M-ヒドロゲル コーティングの接着性を評価するためにクロスハッチング テストを実行しました。

M-ヒドロゲルの自己修復性を評価するために、サンプルを2つに切断し、破面を接触させて貼り合わせました。 水を亀裂にスプレーし、サンプルを周囲環境に一晩放置しました。 保水性試験は、温度25℃、相対湿度60%の室内環境で実施しました。 膨潤特性は、サンプルを脱イオン水に浸漬し、1 時間ごとに重量を測定することによって検査されました。

UL-94 (CFZ-2 Analytical Instrument company、江寧、中国) を使用して、すべてのサンプルの難燃性を評価しました。サイズは ASTM D 3801 に従って 125 × 13 × 3 mm3 です。ヒドロゲルの直火試験は、ヒドロゲルに対して実行されました。サンプル (50 × 50 × 3 mm3) をプロパントーチ炎 (約 2000 °C) に 20 秒間直接さらすことにより、コーティングされた木材とコーティングされていない木材を調べます。 プロパントーチの長さは約５ｃｍに制御され、サンプルと炎との間の角度は９０°に固定された。 CCT 試験は、ISO 5660-1 に従って、サンプル寸法 100 × 100 × 3 mm3 で熱流束 50 kW m-2 のコーン熱量計 (FTT、英国) で実施されました。 サンプルの表面とコーンの間の距離は 60 mm でした。 耐熱性試験では、赤外線カメラを使用して、ハイドロゲルをコーティングしたサンプルとコーティングしていないサンプルの温度上昇速度を記録しました。

MXene は、MAX から Al 層をエッチングして得られ、超音波処理によって剥離されました (図 S1)。 XRD結果の6.8°の回折ピーク（図S2）とFTIR結果の3450cm-1、1368cm-1（-OH）、550cm-1（Ti-O）の振動ピーク（図S3）は、次のことを示しています。 MXene38 の準備が成功しました。 M-ヒドロゲルの合成プロセスは 2 つの部分に分けることができます: (I) PVA、PA、および MXene を脱イオン水に混合し、混合物を 95 °C で 2 時間撹拌してプレヒドロゲルを作成しました。 (II) 次に、プレヒドロゲルを冷蔵庫で一晩凍結させ、室温で解凍した後、M-ヒドロゲルを得ることができました。 我々の以前の研究では、PA がゲル化度を促進することによってヒドロゲルの機械的性能を向上させることができることが証明されました 39。 ここでのMXeneは、より多くの水素結合を形成するゲル化剤と同じ役割を果たす可能性があります。 M-ヒドロゲルでコーティングされた木材を得るために、プレヒドロゲルがブレードによって木材の表面に塗布され、厚さが 300 μm に制御されました。その後、コーティングを施した木材に凍結融解サイクルを経て、M-ヒドロゲルでコーティングされた木材が得られました。木材（図1a）。 ヒドロゲルの成分 (PVA、PA、MXene) は木材のセルロースと水素結合を形成することができ、これにより M-ヒドロゲルと木材の間の接着が保証されます。 すべてのサンプルは Mx-ヒドロゲルと名付けられ、x は MXene の含有量を表します。 さまざまなサンプルの成分の詳細を表 1 に示します。

M-ヒドロゲル、M-ヒドロゲルでコーティングされた木材、およびコーティングされていない木材の合成プロセスと特性評価。 (a) ヒドロゲルおよびヒドロゲルでコーティングされた木材の準備手順の図。 (b) M0 および M0.3 ヒドロゲルの FTIR スペクトルおよび (c) XPS。 (d) 純粋な木材、(e) M0 ヒドロゲル被覆木材、(f) M0.3 ヒドロゲル被覆木材、(g) M0.3 ヒドロゲル被覆木材の断面構造の表面の SEM 画像。 (h) M0.3 ヒドロゲルの EDX。

MXene の導入によるヒドロゲルへの影響は、FTIR スペクトル (図 1b) および XPS (図 1c) によって調査されました。 M0 と M0.3 の 962 cm-1 と 983 cm-1 に明確な特徴的なピークが見られますが、これは PA40 の振動ピークに割り当てられるはずです。 M0 と比較すると、M0.3 では 786 cm-1 と 668 cm-1 に新しい吸着ピークが現れています。 これら 2 つの特徴的なピークは、PVA および PA に含まれる水酸基 (-OH) が水素結合形成下で MXene の官能基と相互作用するときの変形振動によるものである可能性があります41。 ＸＰＳは、Ｐ（１３５ｅＶ）、Ｃ（２８４ｅＶ）、Ｏ（５３２ｅＶ）を除いて、Ｔｉ（４５０ｅＶ）及びＦ（６８６ｅＶ）の特徴的な元素が、ＭＸｅｎｅ成分から生じるＭ０．３サンプル中に生じていることを示す。 また、図1hに示すように、M0.3ヒドロゲルのEDXの結果は、成分が均一に混合されていることを確認します。 上記のすべてのテストは、M-ヒドロゲルが正常に合成されたことを証明しています。 SEM 画像は、M-ヒドロゲルでコーティングされた木材とコーティングされていない木材の形態を明らかにします。 純粋な木材の表面は粗く、木の繊維が豊富であるため、多くのストリップクラックが見られます（図1d）。 M-ヒドロゲルでコーティングされた木材の外観は滑らかで、すべての亀裂は密閉されており、これが難燃性にプラスに寄与することに注目してください（図1e、f）。 図1gの断面画像は、厚さ300μmで木材と緊密に結合したコーティングを示しています。 難燃性を確保できるだけでなく、木材の機械的特性にも害を与えません。

M-ヒドロゲルの機械的特性は引張試験によって評価されました。 図2aに示すように、MXeneの含有量が高くなると、M-ヒドロゲルの応力と歪みが大幅に増加します。 M0、M0.1、M0.2、M0.3ヒドロゲルの応力とひずみは、それぞれ0.076、0.084、0.105、0.124 MPa、150%、220%、280%、310%に達する可能性があります。 M-ヒドロゲルの応力 - ひずみ曲線の強化は、MXene42 の導入による水素結合の増加とポリマー鎖のより強い絡み合いに起因すると考えられます。 MXene の官能基は PVA および PA と水素結合を形成することができ、その結果、M-ヒドロゲル内でより多くの水素結合が形成されます。 さらに、MXene は M-ヒドロゲルのゲル化剤として機能し、PVA 鎖の絡み合いを強化します。 この 2 つの理由が M-ヒドロゲルの強化に寄与する主な要因です。 M0、M0.1、M0.2、M0.3ヒドロゲルの引張弾性率と降伏応力は、0.048、0.047、0.038、0.036 MPaおよび0.017、0.018、0.020、0.023 MPaです（図2b）。 引張弾性率が低く、引張降伏応力係数が高いということは、M-ヒドロゲルの剛性が低く、より大きな変形に耐えることができることを意味しており、これは応力-ひずみ曲線の結果と一致しています。 さらに、M0.3ヒドロゲルはねじれたり、結び目になったり、500 gの重量に耐えることができ、これはM0.3ヒドロゲルの優れた機械的特性を反映しています（図S4、S5）。 難燃性コーティングとして、接着性も考慮すべき重要な側面です。 M0.3ハイドロゲルコーティングの木材への密着性を調査するためにクロスハッチング試験を実施しました。 図 2c から、テープテスト後にコーティングが均一に剥がれていないことがわかります。 結果は、木材に対する M0.3 ヒドロゲルコーティングの素晴らしい接着力を示しました。

M-ヒドロゲルの機械的特性、自己修復性、保水性、膨潤率。 (a) M-ヒドロゲルの応力 - ひずみ曲線と物理的な写真が挿入されます。 (b) M-ヒドロゲルの引張弾性率と引張降伏応力。 (c) M0.3 ヒドロゲルでコーティングされた木材のクロスハッチング テスト。 (d) M-ヒドロゲルの自己修復原理の模式図。 (e) M-ヒドロゲルの保水量、W0 および W はヒドロゲルの元の重量と現在の重量を表します。 (f) M-ヒドロゲルの膨潤率、(g) 異なる浸漬時間での M-ヒドロゲルの写真。

耐火性には緻密な塗膜が必須であるため、クラックが発生すると難燃性に悪影響を与えるため、自己修復性が重要であることを考慮する必要があります。 M ヒドロゲルの自己修復原理を調べるために、直方体の M0.3 ヒドロゲルを 2 つのブロックに切断し、破断部分を密着させ、水を噴霧しました。 最後に、ヒドロゲルの 2 つのブロックは、周囲環境で一晩で自己修復して全体のヒドロゲルになりました (図 S6)。 M-ヒドロゲルの自己修復原理の概略図を図2dに示します。 ハイドロゲルを 2 つの部分に切断すると、ハイドロゲル間の水素結合が破壊されました。 しかし、動的かつ可逆的な非共有結合として、破断部分が水の噴霧と接触すると水素結合が再構築される可能性があり、これにより M-ヒドロゲルの自己修復特性が確保されます 43。

耐火コーティングとして、水は M-ヒドロゲルの難燃性において極めて重要です。 従来のハイドロゲルは蒸発により容易に水分を失いました44。 私たちの以前の研究では、PV が PVA と PA45 の間により多くの水素結合をもたらすことにより、PVA ハイドロゲルの保水性を大幅に改善できることを証明しました。 ここでは、MXene が同じ理由で追加されました。 25°C、相対湿度60%の条件下で15日後にすべてのM-ヒドロゲルサンプルが90%を超える重量を保持していることは喜ばしいことです（図2e）。 PVA/PA/MXene ハイドロゲルの優れた水分保持能力を検証するために、この研究と他のハイドロゲル コーティングの水分維持量の比較をリストしました (表 S1)。 M-ヒドロゲルの水吸着能力を調査するために、さらなる実験が行われました。 図2fの結果は、MXeneの含有量が増加すると、M-ヒドロゲルの水分容量も増加することを示しています。 M0、M0.1、M0.2、M0.3ヒドロゲルの膨潤率は、それぞれ26.16%、28.39%、29.16%、31.08%に達します。 この現象は、より多くの MXene と MXene の官能基 (-F、-OH) により、M0.3 ハイドロゲルに強力な水吸着能力が与えられるため、より多くの水素結合相互作用が引き起こされると考えられます 46。 異なる水分吸着下のM0およびM0.3ヒドロゲルの写真を図2gに示します。 同時に水に浸した場合、M0.3 ハイドロゲルは M0 ハイドロゲルよりも大きくなります。 他のM-ヒドロゲルの水容量画像を図S7に示します。 水に浸したすべての M ヒドロゲルは同じ現象を示し、これは図 2f の結果と一致します。

M-ヒドロゲルでコーティングされた木材とコーティングされていない木材の難燃性評価を評価するために実施された UL-94 テストと t1、t2 を表 2 に示します。テスト中、純粋な木材 (図 3a) は最初の 10 秒後に発火しました。燃えており、燃え尽きるまで自己識別できず、本質的な可燃性と火災の危険性が示されており、評価は V2 にランク付けされる必要があります。 明らかに、図3b〜eに示すように、M-ヒドロゲルでコーティングされたすべての木材は、2回目の10秒間の燃焼後でも発火しませんでした。これは、M-ヒドロゲルコーティングの優れた難燃性を示しています。 UL-94試験後のM-ヒドロゲルでコーティングされた木材と未コーティングの木材の写真を図S8に示します。 t1 および t2 のすべての M-ヒドロゲル被覆木材の関連データは表 2 にリストされている 0 であり、すべての M-ヒドロゲル被覆木材が V0 定格に達できることを示しています。

M-ヒドロゲルでコーティングされたサンプルとコーティングされていないサンプルの燃焼挙動。 (a) 木材、(b) M0、(c) M01、(d) M0.2 および (e) M0.3 ヒドロゲルでコーティングされた木材の UL-94 テストの写真。 (f) 直火試験工程のイメージ。 (g) 裸火試験における純粋な木材と M-ヒドロゲルでコーティングされた木材の写真。 （h）直火試験後の（h）純粋な木材、（i）M0、および（j）M0.3ヒドロゲルでコーティングされた木材の炭化層のSEM画像。

耐火塗装の効果を直感的に確認するために、直火試験を実施しました。 クランプに固定されたサンプルは、火炎銃から 5 cm の距離で制御されました (図 3f)。 図3gでは、20秒の点火後、M-ヒドロゲルでコーティングされた木材と比較して純粋な木材の表面により強い炎が存在します（M0.1およびM0.2ヒドロゲルでコーティングされたサンプルは図S9に見られます）。 これは、木材の内部の水分が一定の温度に達すると完全に蒸発し、表面材が徐々に分解して炭化し、可燃性ガスが発生し、安定した火炎燃焼を形成するためです。 しかし、M-ヒドロゲルコーティングにはより多くの水分が含まれているため、プロセスが効果的に遅れる可能性があり、M0およびM0.3ヒドロゲルコーティングされた木材には損傷は見られません。 また、ヒドロゲルコーティングによって形成された炭化層は、40 秒の時点で純粋な木材よりも密度が高くなります。 SEM 画像は炭層の構造をさらに評価するために適用されます。 純粋な木材の炭化層（図3h）が緩んでいて、繊維状に分散していることが明らかであり、耐熱性が低いことがわかります。 重要なことに、M0ヒドロゲルコーティングの炭層（図3i）はシート層構造で緻密で滑らかです。 まだ亀裂は見られますが、より優れた耐熱性と耐 O2 性能を示しています。 M0.3ヒドロゲル被覆木材に関しては、炭化層が最も緻密であり、膨張構造が現れ、公開試験で最高の耐熱性および耐O2効果と最高の耐火機能を示しました（図3j）。 これは、MXene の層状構造が良好な物理的バリアとして機能し、炭化層がファベオレートであり、サンプルの中で最高の耐熱性を示すためです。 さらに、M-ヒドロゲル耐火コーティングは適用範囲を広げることができます。 RPUFに使用した場合も優れた難燃性を発揮します（図S10）。

M-ヒドロゲルコーティングの火災安全性をさらに評価するために CCT テストが実施され、主なパラメータが表 2 にリストされています。結果によると、純粋な木材の発火時間 (TTI) は 32 秒であるのに対し、M-ヒドロゲルコーティングされた木材はM0、M0.1、M0.2、およびM0.3は、それぞれ64秒、74秒、66秒、および69秒に延長されました（図4c）。 この結果は、ヒドロゲルコーティングに含まれる水が木材の表面から内部への火災の延焼を制限する機能を示している。 それは、図4a、bの熱発生率（HRR）と総熱発生量（THR）の結果でさらに証明されています。 無垢材のHRR曲線には2つのピークがあります。 温度が約250℃に達すると、木材の表面が炭化するとともにH2とCH4の燃焼ガスが発生します。 これらのガスは熱源のもとで発火温度で発火し、内部で火災が発生し、最初のピークが生じます。 炭層表面に延焼する際には、木材から分解された燃焼ガスは発生せず、木材内部の揮発分から燃料が供給されます。 この状況では、燃焼炎が無炎燃焼に変化し、第 2 のピークが現れます。 純粋な木材と比較して、M0 ハイドロゲルコーティング木材の HRR 曲線にも 2 つのピークがありますが、2 つのピークの出現時間は純粋な木材よりも遅くなります。 これは、M0 ヒドロゲルコーティングが加熱条件下で O2 が木材との接触を遮断できるためです。 M0.1、M0.2、およびM0.3のヒドロゲルでコーティングされた木材のHRR曲線にはピークが1つだけ現れることに注目する価値があります。 これは、MXene の導入により形成される緻密な炭化層がヒドロゲルコーティングの耐熱性を大幅に向上させ、その結果、燃える炎と無炎の燃焼現象が同時に発生するためと考えられます。 さらに、純粋な木材および M0、M0.1、M0.2、および M0.3 ヒドロゲルコーティング木材のピーク熱発生率 (pHRR) および総熱発生率 (THR) の出現時間は、70、75、90、95、 95 秒およびそれぞれ 23.96、16.41、14.65、14.72、15.30 MJ/m2。 結果は、MXene の導入によりハイドロゲル コーティングの耐火性能が向上したことを示しています。 MXene の含有量が増加すると、HRR と THR がわずかに増加することに注目してください。 おそらく、より多くのMXeneがより多くのC要素をもたらし、その結果HRRとTHRが増加するためです。 しかし、HRR および THR では M0 ヒドロゲルでコーティングされた木材よりもまだ低いため、このわずかな増加は無視できます。 この作品の難燃性能を他の作品と比較するために、難燃木材の分野における M-ヒドロゲルコーティングの優れた耐火能力を示す表をリストしました（表 S2）。

M-ヒドロゲルコーティングの熱安定性と難燃メカニズム。 M-ヒドロゲルでコーティングされた木材とコーティングされていない木材の CCT 結果。 (a) HRR、(b) THR、(c) TTI。 (d) 純粋な木材、M0 および M0.3 ヒドロゲルでコーティングされた木材の熱伝達の結果。 (e、f) M0 および M0.3 ヒドロゲルの TG 曲線および DTG 曲線。 (g) M-ヒドロゲルコーティングの難燃メカニズムの概略図。

重要な特性として、M-ヒドロゲルの耐熱性を赤外線カメラで評価します。 サンプルのM-ヒドロゲルでコーティングされた面を直火にさらし、裏面の温度を赤外線カメラで記録します。結果は図4dに見られます。 純粋な木材の場合、裏面の温度はすぐに150℃まで上昇しますが、M0およびM0.3のハイドロゲルコーティング木材は優れた耐熱容量を示します。 約 100 °C では、M0 および M0.3 ヒドロゲルでコーティングされた木材の温度上昇は大幅に遅れているように見えます。 これは、ヒドロゲルコーティング内の水の蒸発が最も多くの熱をもたらすためです。 さらに、M0.3 ヒドロゲルでコーティングされた木材の温度は、100 秒から 175 秒まで 100 °C 以下に留まります。これは、M0.3 ヒドロゲルコーティングによって形成されたより緻密な炭化層がより高い熱に耐えることに起因すると考えられます。

熱重量分析（TGA）および示差熱重力（DTG）の結果は、図4e、fの熱特性を調査するために提供されており、関連データは表3にリストされています。T10％は、M0およびM0の130.56および125.86°Cで表示されます。 3つのハイドロゲル。 M0 および M0.3 ハイドロゲルの分解プロセスは 5 つの部分に分けることができます。 M0 および M0.3 ヒドロゲルの 130.12、162.25 および 130.68、158.33 °C での TI および TII は、PVA および PA のヒドロキシルの脱水に起因すると考えられます。 M0 および M0.3 ヒドロゲルの 310.28、435.42 および 258.35、327.06 °C での TIII および TIV は、PVA の側鎖と主鎖の分解に割り当てることができます。 TV は、M0 および M0.3 ヒドロゲルの 644.41 および 678.45 °C で発生します。PA47 のフィチン酸基の分解プロセスとして説明できます。 温度が 800 °C に達すると、M0 および M0.3 ヒドロゲルの残存質量は 26.96% および 30.58% になります。これは、MXene の導入によりヒドロゲルの熱安定性が向上することを示しています。

上記の実験のすべての結果に基づいて、難燃メカニズムは次のように帰せられます (図 4g): (I) 大きな熱容量と水蒸発のエンタルピーによる冷却効果。 (II) PA はリンベースの難燃剤であり、木材の脱水による炭素化を促進し、木材の赤熱燃焼プロセスを延長します。 (III) MXene の導入により、より高密度で硬い炭層が形成され、ほとんどの O2 と熱の拡散を遮断します。

PVA/PA/MXene ハイドロゲル耐火コーティングが開発され、簡単なワンポット加熱と凍結融解サイクル方法で木材に塗布されました。 このコーティングは、MXene の導入による水素結合の増加により、優れた自己修復特性 (他のソースなし) と高い保水性 (含水率 ≥ 90%) を示します。 さらに、PVA/PA/MXene ハイドロゲルでコーティングされた木材は、UL-94 テストで V0 評価に達し、TTI が増加し (32 秒から 69 秒に)、CCT で HRR と THR が 41.6% と 31.64% 減少するなど、難燃性が向上しています。それぞれテストします。 (I) の複数の難燃メカニズム: ハイドロゲル内の高含水量による冷却効果と大きな熱容量。 （II）PA（リン系難燃剤）による炭化層形成の促進。 (III) MXene により燃焼中に形成される緻密な炭層は、可燃性ガス、熱、酸素に対する物理的バリア効果を高め、上記の難燃メカニズムにより木材の火災安全性が確保されます。 さらに、この耐火コーティングは他のエンジニアリング材料 (RPUF) にも適用できるため、火災安全性が要求される構造材料に幅広く応用できることがわかります。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、中国国家自然科学財団 (22175066)、広東省自然科学財団 (助成金番号 2019A1515011044)、国家火災科学重点研究所開設基金 (SKLFS; 助成金番号 HZ2021-KF14) の支援を受けました。 、広東・広西共同基金（助成金番号 2021A1515410003）、SZPT の深セン優秀人材のための科学研究スタートアップ基金（助成金番号 6022310043K）。

これらの著者、Xiaojiong Zhao と Min Tian も同様に貢献しました。

Institute of Safety Science and Engineering, School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Wushan Road 381, Guangzhou, 510641, China

Xiaojiong Zhao、Min Tian、Saihua Jiang

広東省高分子先端製造技術・設備主要研究所、華南理工大学、広州、510641、中華人民共和国

チャオ・シャオ＆ジャン・サイファ

中国科学技術大学国家火災科学重点実験室、Jinzhai Road 96、Hefei、230026、中華人民共和国

江彩華

新エネルギー車両技術研究所、深セン工科大学、深セン、518055、広東省、中華人民共和国

魏瑞超

自動車交通学校、深セン工科大学、深セン、518055、広東省、中華人民共和国

魏瑞超

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XZ: 概念化、方法論、調査、執筆 - 原案、執筆 - レビューおよび編集。MT: 概念化、方法論、調査、執筆 - 原案、執筆 - レビューおよび編集。SJ: 監督、資金調達、リソース、執筆 - レビューRW: 監修、資金調達、リソース。著者全員が原稿をレビューしました。

魏瑞超または江彩華への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Zhao、X.、Tian、M.、Wei、R. 他。 木材用の新しい自己修復性および難燃性ヒドロゲル/MXene コーティングを容易に製造できます。 Sci Rep 13、1826 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-28228-5

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受信日: 2022 年 11 月 3 日

受理日: 2023 年 1 月 16 日

公開日: 2023 年 2 月 1 日

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

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