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

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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。