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常州大学欧红香教授团队研究成果：SiO2气凝胶改性丝瓜络复合材料制备及阻燃性能研究
引言：论文基于常州大学欧红香教授团队研究成果及国家自然科学基金等专项基金资助，文章选用SiO2气凝胶改性丝瓜络复合材料，降低丝瓜络（LF）的火灾危险性，提高其阻燃抑烟性能，以LF为基体材料，通过溶胶凝胶法制备了SiO2气凝胶（SA）改性丝瓜络复合材料（LF@SA）。利用多种方法对复合材料LF@SA的热释放性能、残碳微观形貌、热稳定性和阻燃抑烟性能等进行研究。SA改性有效提升了丝瓜络的阻燃抑烟性能，有利于丝瓜络的进一步开发应用。
文章发表于《功能材料》2022年第53卷第07期，欢迎引用本文：文：
陈伟佳，舒中俊，潘虹，等. SiO2气凝胶改性丝瓜络复合材料制备及阻燃性能研究[J].功能材料,2022,53(7): 07210-07214.
Chen W J,Shu Z J,Dai J,et al.Research on preparation and flame retardancy of SiO2 aerogel modified loofah [J].Journal of Functional Materials,2022,53(7): 07210-07214.
一、全文速览
全球能源短缺、环境污染与经济发展的矛盾日益严峻，绿色化、减量化，安全化逐渐成为各行业发展趋势和要求。丝瓜络是丝瓜经处理后获得的纤维质网状结构材料，具有高强度、高透气性、无毒、低价、可降解再生、来源广和天然的三维丝状网络结构等特点，有较多学者对其进行研究。利用过渡金属氧化物催化氧化丝瓜络制备了MnOx/丝瓜络复合材料，在室温下具有良好的甲醛消除性能。溶胶凝胶法制备的氟化硅纳米颗粒（F-SiO2NPs）附着在丝瓜络表面，得到一种新型环保的三维超疏水材料。丝瓜络为原材料、聚乙二醇（PEG）为相变储能材料，结合冷冻干燥、高温碳化和物理吸附等技术，制备物化性能稳定、兼备潜热蓄能、温度调节、热能管理、隔热防护或电热转化功能的相变复合材料。表明，丝瓜络以其环境友好、低成本、可回收等特性具有广泛的应用前景，但丝瓜络作为生物质材料，主要由碳、氢、氧组成，极易燃烧，以丝瓜络为原材料的研究应用中对其火灾风险关注不足，尤其是在包装、建筑家装等应用方面。由二氧化硅气凝胶(SA)是由相互连接的纳米颗粒构建而成的一种常见气凝胶，具有导热系数低、透光率好、介电常数低、吸声性能好等特点，被应用于隔音、隔热等诸多领域。同时，二氧化硅气凝胶具有良好的阻燃性能，通过呼吸浸渍法将不同树种的软木浸泡在SA浆料中，制备了SA复合软木，有效提高了复合材料的阻燃抑烟性能。本文研究以天然丝瓜络（LF）为基体材料，结合溶胶凝胶法制备SiO2气凝胶改性丝瓜络复合材料（LF@SA），通过多种表征对样品的形貌、结构和理化性能等进行分析，研究LF@SA的热释放性能、残碳微观形貌、热稳定性和阻燃抑烟性能，以期为低成本可再生生物质丝瓜络阻燃防火材料的制备和应用提供一种新的策略。
二、文章亮点
1. 创新性地将天然丝瓜络采用碱煮法祛除表面胶质后作为基质材料，利用价廉的水玻璃通过溶胶凝胶法在LF纤维中生成SA。
2. 通过改变水玻璃的稀释比例制备了不同SA比例的阻燃复合材料LF@SA。
3. 重点分析了了LF@SA的热释放性能、残碳微观结构、热稳定性及阻燃抑烟性能。
三、图文展示
图1样品的热释放曲线
图2 样品截断面及残碳的SEM图：(a) LF；(b) LF；(c) PLF；(d) LF@SA1；(e) LF@SA2；(f) LF@SA3
图3 样品的热重曲线：(a)TG；(b)DTG
图4 样品的透光率曲线
四、结论
（1）SA的引入可有效降低LF的热释放水平。水玻璃稀释比例为1:4制备的LF@SA2具有最低的HRC、THR和PHRR，与LF相比分别降低了44.5%、49.3%和37.6%。
（2）LF纤维的中空结构为SA的合成提供了良好的合成环境。LF@SA样品完全燃烧后的残碳SEM分析表明，改性后样品的残碳碳层结构致密且完整。SA的引入可有效降低LF的质量损失速率，提升其残碳率。
（4）LF@SA具有优异的阻燃抑烟性能，烟气透光率均从5.51%提升至95%以上，氧指数值均从16.0%提升至28.8%以上，其中LF@SA2的烟气透光率和氧指数值分别为98.07%和31.2%，为难燃级别。