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Oct 24, 2023

Fabrication facile d'un nouveau moi

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1826 (2023) Citer cet article

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Pour améliorer l'ignifugation du bois, un nouveau revêtement hydrogel alcool polyvinylique/acide phytique/MXène à haute rétention d'eau et auto-cicatrisant a été développé grâce à des méthodes simples de chauffage et de cycle de congélation-décongélation, puis peint sur la surface du bois. Le revêtement présente une excellente propriété d'auto-guérison et une propriété de rétention d'eau considérablement améliorée (teneur en eau ≥ 90 % en poids), en raison de l'augmentation des liaisons hydrogène dans le système de revêtement avec la présence de nanofeuilles de MXene. Comparé au bois vierge, l'ignifugation du bois revêtu est grandement améliorée, comme la cote V0 réussie dans le test UL-94, l'augmentation du temps d'allumage (TTI, de 32 à 69 s) et la diminution du taux de dégagement de chaleur et du dégagement de chaleur total par 41,6 % et 36,14 %. L'effet de refroidissement et la grande capacité thermique de l'hydrogel à haute rétention d'eau, ainsi que les effets de barrière physique pour les produits gazeux inflammables, la chaleur et l'oxygène par les nanofeuilles de MXene et la couche de charbon compacte formée pendant la combustion jouent un rôle clé dans les améliorations de l'ignifugation du bois. La stabilité thermique élevée des nanofeuilles MXene est un autre facteur bénéfique. Les mécanismes détaillés d'ignifugation et d'auto-guérison ont été proposés.

En tant que matériau de construction écologique, renouvelable et léger, le bois a toujours attiré l'attention des gens1,2,3,4,5. Cependant, sa haute inflammabilité intrinsèque entraîne des risques d'incendie qui ont tendance à causer d'énormes pertes économiques et des victimes6,7,8,9. Diverses méthodes ont été développées pour améliorer la sécurité incendie du bois, parmi lesquelles le revêtement ignifuge est la stratégie la plus frappante car elle pourrait être facilement applicable sur le bois10,11,12,13. Par exemple, Pedro et al. ont proposé un revêtement ignifuge à base de lignine, de tanins et de nanoparticules inorganiques, qui réduisait significativement la vitesse de combustion linéaire de 50 % par rapport au bois pur14. Chu et al. utilisé un ester phosphate-polyéthylène glycol comme revêtements ignifuges pour doter le bois d'une excellente ignifugation, diminuant le taux de dégagement de chaleur (HRR) et le dégagement de chaleur total (THR) de 82,4 % et 84,3 %15. Cependant, les matériaux utilisés ne sont pas assez écologiques et le processus de préparation du revêtement ignifuge est plutôt compliqué dans ces travaux, ce qui limite son application à grande échelle, de sorte qu'une méthode de revêtement ignifuge facile à traiter est nécessaire.

En tant que matériau vert et facile à préparer, l'hydrogel, avec une teneur élevée en eau et des caractéristiques non toxiques, s'est avéré être un candidat idéal pour le revêtement ignifuge16,17,18,19,20. L'eau à haute teneur signifie que la plus grande partie de la chaleur peut être absorbée par l'évaporation de l'eau. Les caractéristiques non toxiques garantissent qu'aucune substance volatile toxique n'est libérée lors de la décomposition. Ces deux raisons font de l'hydrogel le matériau de revêtement ignifuge par excellence. Hung et al. a synthétisé une mousse de polyuréthane rigide ignifuge (RPUF) verte, résistante et hautement efficace à base d'hydrogel à double réseau polyacrylique-polydopamine par durcissement aux UV21. Zhang et al. préparé un revêtement biogel ignifuge à base de gélatine auto-cicatrisant, recyclable et dégradable via une méthode d'agitation en deux étapes pour les bâtiments verts22. Dans nos travaux précédents, nous avons conçu un bois ignifuge à base d'hydrogel d'alcool polyvinylique/acide phytique (PVA/PA) et exploré l'effet du PA sur l'ignifugation et l'adhérence dans l'hydrogel PVA. Bien que le revêtement d'hydrogel puisse doter le bois d'un retardateur de flamme, une capacité d'auto-guérison et une rétention d'eau élevée doivent être réalisées pour les objectifs d'une utilisation à long terme et d'une meilleure capacité ignifuge.

La propriété d'auto-guérison peut être réalisée par des approches physiques et chimiques, y compris la diffusion et l'écoulement, les effets de mémoire de forme, les systèmes d'auto-guérison hétérogènes, la reformation et le remaniement des liaisons covalentes, l'interaction des liaisons hydrogène, l'action des liaisons de coordination des métaux et la dynamique de la chimie supramoléculaire ou leurs combinaisons23,24,25. Parmi celles-ci, la liaison hydrogène est la méthode la plus facile à réaliser. En tant que liaisons non covalentes dynamiques typiques, l'importation de liaisons hydrogène confère à l'hydrogel une excellente propriété d'auto-guérison sans autre source et améliore la capacité de rétention d'eau de l'hydrogel26,27,28,29,30. Le MXene, un nanomatériau inorganique 2D avec de nombreux groupes fonctionnels (–OH, –F, etc.) en phase terminale31,32,33,34,35, peut former de nombreuses liaisons hydrogène avec le PVA et le PA et favoriser le degré de gélification du PVA en tant qu'agent de réticulation pour améliorer les propriétés mécaniques de l'hydrogel, ce qui contribue grandement aux propriétés d'auto-guérison et de haute rétention d'eau36. De plus, la stabilité thermique élevée et la structure en nanofeuilles de MXene peuvent encore améliorer l'ignifugation de l'hydrogel. Lin et al. ajouté du MXene dans le revêtement d'hydrogel de chitosane appliqué sur le RPUF, a considérablement réduit le HRR et le THR de 57,2 % et 65,5 %37, montrant l'excellente propriété ignifuge du MXene.

Ainsi, pour résoudre ce problème, un bois ignifuge basé sur un revêtement hydrogel PVA / PA / MXene auto-cicatrisant, à haute rétention d'eau et ignifuge a été préparé via une méthode facile dans ce travail. Le revêtement d'hydrogel a été obtenu par la méthode en un seul pot et un cycle de congélation-décongélation et appliqué sur le bois par lame. Un test de traction a été utilisé pour détecter les propriétés mécaniques du M-hydrogel, et des propriétés d'auto-guérison et de rétention d'eau ont été menées pour voir la longue durée de vie du revêtement d'hydrogel. UL-94, des tests de feu ouvert et des tests de calorimétrie conique (CCT) ont été effectués pour explorer l'ignifugation des bois revêtus d'hydrogel M. Le revêtement M-hydrogel confère au bois une excellente ignifugation. Les mécanismes d'amélioration des propriétés ont été détaillés.

Le PVA (Mw ∼ 145 000) a été obtenu auprès d'Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. (Shanghai, Chine). La solution de PA (50 % en poids, dans l'eau) a été achetée auprès de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Le LiF (fluorure de lithium) a été obtenu auprès de Macklin Biochemical Co., Ltd. (Shanghai, Chine). Le HCl (acide chlorhydrique, 36,0 à 38,0 % en poids, dans l'eau) a été fourni par l'usine de réactifs chimiques de Guangzhou (Guangzhou, Chine). Le Ca(OH)2 (hydroxyde de calcium, 95,0 % en poids) a été obtenu auprès de Fuchen Chemical Reagent CO., Ltd. (Tianjin, Chine). La poudre MAX (Ti3Al2C2) (~ mesh 400) a été fournie par Kai Xi Ceramic Materials Co., Ltd. (Yantai, Chine). Les matériaux mentionnés ci-dessus ont été utilisés tels que reçus sans autre purification.

Les nanofeuilles de MXène ont été synthétisées par la méthode de gravure et de délaminage. La solution de gravure a été préparée en ajoutant 4 g de LiF à 60 ml de HCl et 20 ml d'eau DI, puis en agitant pendant 30 min. Ensuite, 4 g de MAX ont été ajoutés lentement dans la solution et le temps d'agitation a duré environ 24 h. La suspension acide a été lavée avec de l'eau DI jusqu'à une valeur de pH supérieure à 5 par centrifugation à 3500 tr/min (5 min par cycle) pendant environ 3 fois. Ensuite, l'eau DI a été remplacée par de l'alcool et la suspension a été passée aux ultrasons pendant 2 h et centrifugée à 10 000 tr/min pendant 10 min. Par la suite, l'alcool a été remplacé par de l'eau DI et passé aux ultrasons pendant 20 min. Enfin, le surnageant a été collecté par centrifugation à 3500 rpm pendant 5 min et lyophilisé pour obtenir la poudre de MXene.

Le M-hydrogel et le bois revêtu de M-hydrogel ont été préparés de la manière suivante : tout d'abord, de l'eau DI a été ajoutée dans 15 ml de PA jusqu'à ce que le poids atteigne 30 g. Ensuite, la poudre de PVA et de MXène a été mélangée dans une solution de PA avec la méthode à un pot et le mélange a été agité pendant 2 h à 95 ° C pour obtenir le pré-hydrogel. Enfin, le M-hydrogel a été fourni après un cycle de gel-dégel de pré-hydrogel et de bois enduit de M-hydrogel a été obtenu avec un pré-hydrogel enduit sur du bois via un aubage suivi d'un cycle de gel-dégel. Les détails des composants sont répertoriés dans le tableau 1.

La morphologie du bois revêtu d'hydrogel M et du bois non revêtu a été caractérisée par un microscope électronique à balayage (SEM, Merlin, Allemagne Zeiss) équipé d'un système de rayons X à dispersion d'énergie (EDX). La spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS, Kratos Axis Ulra DLD, Grande-Bretagne) a été utilisée pour analyser la composition chimique des échantillons d'hydrogel. Les groupes fonctionnels des hydrogels M et du MXène ont été détectés par spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (spectromètre FTIR, VERTEX 70, Bruker German). La diffraction des rayons X (XRD, D8 ADVANCE, Bruker) a été réalisée pour évaluer la structure crustale du MXene. La stabilité thermique des échantillons d'hydrogel a été évaluée via un analyseur thermogravimétrique (TGA, NETZSCH STA 449F3 Allemagne) avec une vitesse de chauffage de 10 ℃ min-1 sous un flux de N2 de 60 mL min-1 de 30 à 800 °C.

Les courbes contrainte-déformation ont été obtenues par une machine de traction électronique universelle avec une vitesse de tension de 300 mm min-1 (Shimadzu, Japon), la taille des échantillons d'hydrogel de bande d'haltères est de 30 × 5 × 3 mm3. Les échantillons de test de contrainte-déformation et d'adhérence ont été effectués au moins cinq fois. Un test de hachures croisées a été effectué pour évaluer l'adhérence du revêtement M-hydrogel selon la désignation ASTM : D 3359–97.

Pour évaluer la propriété d'auto-guérison du M-hydrogel, l'échantillon a été coupé en deux morceaux et assemblé avec la surface de fracture en contact. Un peu d'eau a été pulvérisée sur la fissure, puis l'échantillon a été placé dans l'environnement ambiant pendant une nuit. Le test de rétention d'eau a été réalisé dans un environnement ambiant avec une température de 25 °C et une HR de 60 %. La propriété de gonflement a été examinée en immergeant des échantillons dans de l'eau DI et en les pesant toutes les heures.

UL-94 (CFZ-2 Analytical Instrument company, Jiangning, Chine) a été utilisé pour évaluer l'ignifugation de tous les échantillons, la taille est de 125 × 13 × 3 mm3, selon la norme ASTM D 3801. Un test de feu ouvert a été effectué pour l'hydrogel- bois revêtu et bois non revêtu en exposant des échantillons (50 × 50 × 3 mm3) directement à la flamme d'une torche au propane (≈ 2000 °C) pendant 20 s. La longueur du chalumeau au propane a été contrôlée à environ 5 cm et l'angle entre l'échantillon et la flamme a été fixé à 90°. Le test CCT a été réalisé sur un calorimètre à cône (FTT, UK) à un flux de chaleur de 50 kW m−2 avec des dimensions d'échantillons de 100 × 100 × 3 mm3, conformément à la norme ISO 5660-1. La distance entre la surface des échantillons et le cône était de 60 mm. Pour le test de résistance à la chaleur, une caméra infrarouge a été utilisée pour enregistrer la vitesse d'augmentation de la température des échantillons revêtus d'hydrogel et non revêtus.

Le MXene a été obtenu en gravant la couche d'Al de MAX, puis délaminé par sonication (Fig. S1). Le pic de diffraction à 6,8 ° dans le résultat XRD (Fig. S2) et les pics de vibration à 3450 cm−1, 1368 cm−1 (–OH), 550 cm−1 (Ti–O) dans le résultat FTIR (Fig. S3) démontrent la préparation réussie de MXene38. Le processus de synthèse de M-hydrogel peut être divisé en deux parties : (I) PVA, PA et MXene ont été mélangés dans de l'eau DI et le mélange a été agité à 95 ° C pendant 2 h pour faire du pré-hydrogel. (II) Ensuite, M-hydrogel pourrait être obtenu après le pré-hydrogel congelé au réfrigérateur pendant la nuit et décongelé à température ambiante. Dans nos travaux précédents, il a été prouvé que le PA pouvait améliorer les performances mécaniques de l'hydrogel en favorisant le degré de gélification39. Le MXène pourrait ici apporter la même contribution que l'agent de gélification qui forme plus de liaison hydrogène. Pour obtenir le bois enduit de M-hydrogel, le pré-hydrogel a été appliqué sur la surface du bois via un laminage et l'épaisseur a été contrôlée à 300 µm, puis le bois avec revêtement a subi un cycle de gel-dégel pour obtenir M-hydrogel-enduit bois (fig. 1a). Les composants de l'hydrogel (PVA, PA, MXène) peuvent former des liaisons hydrogène avec la cellulose du bois, qui assurent l'adhérence entre le M-hydrogel et le bois. Tous les échantillons sont nommés Mx-hydrogel, dans lequel x représente la teneur en MXène. Les détails des composants des différents échantillons peuvent être consultés dans le tableau 1.

Le procédé de synthèse et la caractérisation du bois M-hydrogel, M-hydrogel-enduit et non enduit. (a) L'illustration des procédures de préparation d'hydrogel et de bois enduit d'hydrogel. (b) spectres FTIR et (c) XPS d'hydrogel M0 et M0.3. Image MEB de la surface de (d) bois pur, (e) bois enduit d'hydrogel M0, (f) bois enduit d'hydrogel M0.3 et (g) la structure en coupe du bois enduit d'hydrogel M0.3. (h) EDX d'hydrogel M0.3.

L'effet sur l'hydrogel avec l'introduction de MXene a été exploré par les spectres FTIR (Fig. 1b) et XPS (Fig. 1c). On peut voir un pic caractéristique distinct en M0 et M0.3 à 962 cm−1 et 983 cm−1, qui devrait être attribué au pic de vibration de PA40. Par rapport à M0, de nouveaux pics d'adsorption sont apparus à 786 cm-1 et 668 cm-1 dans M0.3. Ces deux pics caractéristiques peuvent être dus à des vibrations de déformation lorsque les groupements hydroxyle (–OH) contenus dans le PVA et le PA interagissent avec le groupement fonctionnel du MXène sous la formation de liaison hydrogène41. XPS montre qu'à l'exception de P (135 eV), C (284 eV), O (532 eV), les éléments caractéristiques de Ti (450 eV) et F (686 eV) apparaissent dans l'échantillon M0.3 résultant du composant MXene. De plus, comme le montre la figure 1h, les résultats de l'EDX de l'hydrogel M0.3 confirment que les ingrédients sont mélangés uniformément. Tous les tests ci-dessus prouvent que le M-hydrogel est synthétisé avec succès. Les images SEM révèlent la morphologie du bois revêtu et non revêtu de M-hydrogel. La surface du bois pur est rugueuse et de nombreuses fissures de bande peuvent être observées en raison de l'abondance de fibres de bois (Fig. 1d). Il est à noter que l'apparence du bois revêtu d'hydrogel M est lisse et que toutes les fissures sont scellées, ce qui contribuerait positivement à l'ignifugation (Fig. 1e, f). L'image en coupe de la Fig. 1g montre le revêtement combiné avec du bois étroitement à l'épaisseur de 300 µm. Il peut non seulement assurer l'ignifugation, mais également ne pas nuire aux propriétés mécaniques du bois.

Les propriétés mécaniques du M-hydrogel ont été évaluées par des essais de traction. Comme le montre la figure 2a, avec la teneur plus élevée en MXène, la contrainte et la déformation du M-hydrogel augmentent de manière significative. La contrainte et la déformation de l'hydrogel M0, M0.1, M0.2, M0.3 pourraient atteindre 0,076, 0,084, 0,105, 0,124 MPa et 150 %, 220 %, 280 %, 310 %, respectivement. L'amélioration des courbes contrainte-déformation du M-hydrogel peut être attribuée à davantage de liaisons hydrogène et à un enchevêtrement plus fort de la chaîne polymère avec l'importation de MXene42. Les groupes fonctionnels du MXène peuvent former des liaisons hydrogène avec le PVA et le PA, ce qui entraîne davantage de liaisons hydrogène dans le M-hydrogel. En outre, MXene peut agir comme agent de gélification dans le M-hydrogel pour augmenter l'enchevêtrement des chaînes PVA. Les deux raisons sont les principaux facteurs contribuant au renforcement du M-hydrogel. Le module d'élasticité en traction et la limite d'élasticité de l'hydrogel M0, M0.1, M0.2, M0.3 sont de 0,048, 0,047, 0,038, 0,036 MPa et 0,017, 0,018, 0,020, 0,023 MPa (Fig. 2b). Un module de contrainte d'élasticité à la traction plus faible et un module de contrainte d'élasticité à la traction plus élevé signifient moins de rigidité du M-hydrogel et il peut supporter une déformation plus importante, ce qui est cohérent avec les résultats des courbes contrainte-déformation. De plus, l'hydrogel M0.3 pourrait être tordu, noué et résister au poids de 500 g, ce qui reflète les excellentes propriétés mécaniques de l'hydrogel M0.3 (Figs. S4, S5). En tant que revêtement ignifuge, l'adhérence est un autre aspect important auquel il faut réfléchir. Nous avons effectué un test de hachures croisées pour étudier l'adhérence du revêtement d'hydrogel M0.3 sur le bois. D'après la figure 2c, il n'y a uniformément aucun revêtement qui tombe après le test de bande. Le résultat présente une merveilleuse adhérence du revêtement hydrogel M0.3 sur le bois.

Les propriétés mécaniques, l'auto-guérison, la rétention d'eau et le taux de gonflement du M-hydrogel. (a) Les courbes contrainte-déformation du M-hydrogel et la photo physique sont insérées. ( b ) Module d'élasticité en traction et limite d'élasticité en traction du M-hydrogel. (c) Test de hachures croisées sur du bois revêtu d'hydrogel M0.3. ( d ) L'illustration schématique du principe d'auto-guérison du M-hydrogel. (e) Rétention d'eau de M-hydrogel, W0 et W représentent le poids original et actuel des hydrogels. (f) Taux de gonflement de M-hydrogel et (g) les photographies de M-hydrogel sous différents temps d'immersion.

Il convient de considérer que l'apparition de fissures aurait un effet néfaste sur l'ignifugation car un revêtement dense est essentiel pour l'ignifugation, de sorte que l'auto-guérison est importante. Pour explorer le principe d'auto-guérison du M-hydrogel, nous avons coupé un hydrogel cuboïde M0.3 en deux blocs, puis la section de fracture a été étroitement contactée et de l'eau a été pulvérisée. Enfin, les deux blocs d'hydrogel se sont auto-guéris en un hydrogel entier pendant la nuit dans un environnement ambiant (Fig. S6). L'illustration schématique du principe d'auto-guérison du M-hydrogel est illustrée à la Fig. 2d. Lorsque l'hydrogel a été coupé en deux morceaux, les liaisons hydrogène entre l'hydrogel ont été détruites. Cependant, en tant que liaisons non covalentes dynamiques et réversibles, les liaisons hydrogène pourraient être reconstruites lorsque la section de fracture entre en contact avec la pulvérisation d'eau, ce qui assure la propriété d'auto-guérison du M-hydrogel43.

En tant que revêtement ignifuge, l'eau est cruciale pour le M-hydrogel en matière d'ignifugation. Les hydrogels conventionnels perdent facilement leur eau en raison de l'évaporation44. Dans nos travaux précédents, nous avons prouvé que le PV pouvait améliorer considérablement la rétention d'eau de l'hydrogel de PVA en apportant plus de liaisons hydrogène entre le PVA et le PA45. Ici, MXene a été ajouté pour la même raison. Il est gratifiant que tous les échantillons de M-hydrogel maintiennent leur poids à plus de 90 % après 15 jours sous une température de 25 °C et une humidité relative de 60 % (Fig. 2e). La comparaison de la maintenance de l'eau de ce travail avec d'autres revêtements d'hydrogel a été répertoriée (tableau S1) pour vérifier l'excellente capacité en eau de l'hydrogel PVA/PA/MXene. D'autres expériences ont été menées pour étudier la capacité d'adsorption d'eau des M-hydrogels. Les résultats de la figure 2f montrent qu'avec l'augmentation de la teneur en MXène, la capacité en eau du M-hydrogel augmente également. Le taux de gonflement de l'hydrogel M0, M0.1, M0.2, M0.3 peut atteindre 26,16 %, 28,39 %, 29,16 % et 31,08 %, respectivement. Ce phénomène devrait être attribué à une plus grande interaction des liaisons hydrogène en raison de la plus grande quantité de MXène et les groupes fonctionnels du MXène (–F, –OH) confèrent à l'hydrogel M0.3 une plus grande capacité d'adsorption d'eau46. Les photographies d'hydrogel M0 et M0.3 sous différentes adsorptions d'eau sont répertoriées sur la figure 2g. Lorsqu'il est immergé dans l'eau pendant le même temps, l'hydrogel M0.3 est plus gros que l'hydrogel M0. Une autre image de la capacité en eau de M-hydrogel est illustrée à la Fig. S7. Tous les hydrogels M immergés dans l'eau présentent le même phénomène, ce qui coïncide avec les résultats de la figure 2f.

Tests UL-94 effectués pour évaluer l'indice d'ignifugation du bois revêtu d'hydrogel M et non revêtu et les t1, t2 sont répertoriés dans le tableau 2. Au cours du test, du bois pur (Fig. 3a) a été enflammé après les 10 premières s qui brûle et ne peut pas se distinguer jusqu'à ce qu'il brûle, montrant son inflammabilité intrinsèque et son risque d'incendie et la cote doit être classée V2. De toute évidence, tout le bois revêtu de M-hydrogel ne s'est pas enflammé même après la deuxième combustion pendant 10 s, comme le montre la Fig. 3b – e, qui démontre l'excellente ignifugation des revêtements M-hydrogel. Les photos du bois revêtu et non revêtu de M-hydrogel après le test UL-94 sont visibles sur la Fig. S8. Les données connexes de tous les bois revêtus d'hydrogel M en t1 et t2 sont 0 s répertoriées dans le tableau 2, indiquant que tous les bois revêtus d'hydrogel M peuvent atteindre la cote V0.

Comportement à la combustion d'échantillons revêtus et non revêtus d'hydrogel M. Les photographies du test UL-94 de (a) bois, (b) M0, (c) M01, (d) M0.2 et (e) M0.3 bois revêtu d'hydrogel. (f) L'image du processus d'essai à feu ouvert. (g) Les photos de bois pur et de bois revêtu d'hydrogel M lors d'un essai à feu ouvert. ( h ) Les images SEM de la couche carbonisée de ( h ) bois pur, ( i ) M0 et ( j ) M0.3 bois enduit d'hydrogel après essai à feu ouvert.

Des tests de feu ouvert ont été effectués pour voir intuitivement l'effet du revêtement ignifuge. Les échantillons fixés dans la pince ont été contrôlés à 5 cm de distance du pistolet à flamme (Fig. 3f). Sur la Fig. 3g, après 20 s d'allumage, il y a une flamme plus intense à la surface du bois pur par rapport au bois revêtu d'hydrogel M (des échantillons revêtus d'hydrogel M0.1 et M0.2 peuvent être vus sur la Fig. S9). C'est parce que lorsque la température atteint un certain point, l'humidité interne du bois s'évapore complètement, puis le matériau de surface commence à se décomposer progressivement carbonisé, produisant des gaz combustibles et formant une combustion à flamme stable. Mais les revêtements M-hydrogel contiennent plus d'eau, ce qui pourrait effectivement retarder le processus et aucun dommage ne peut être constaté sur le bois revêtu d'hydrogel M0 et M0.3. De plus, la couche carbonisée formée par les revêtements d'hydrogel est plus dense que le bois pur à 40 s. Les images SEM sont appliquées pour évaluer davantage la structure de la couche char. Il est clair que la couche carbonisée de bois pur (Fig. 3h) est lâche et présente une dispersion fibreuse montrant une faible capacité de résistance à la chaleur. De manière significative, la couche de charbon du revêtement d'hydrogel M0 (Fig. 3i) est dense et lisse avec une structure de couche de feuille. Bien que des fissures soient encore visibles, il montre une meilleure capacité de résistance à la chaleur et à l'O2. En ce qui concerne le bois revêtu d'hydrogel M0.3, la couche carbonisée est la plus dense et la structure d'expansion est apparue, présentant le meilleur effet de résistance à la chaleur et à l'O2 dans les tests ouverts et la meilleure fonction ignifuge (Fig. 3j). En effet, la structure lamellaire du MXène peut agir comme une bonne barrière physique et la couche de carbonisation est faveolée, ce qui présente la meilleure capacité de résistance à la chaleur parmi les échantillons. De plus, le revêtement ignifuge M-hydrogel pourrait être une application étendue. Lorsqu'il est utilisé sur RPUF, il présente également une excellente ignifugation (Fig. S10).

Le test CCT a été effectué pour évaluer davantage la sécurité incendie du revêtement M-hydrogel et les principaux paramètres sont répertoriés dans le tableau 2. Selon les résultats, le temps d'allumage (TTI) du bois pur est de 32 s tandis que le bois revêtu de M-hydrogel de M0, M0.1, M0.2 et M0.3 sont prolongés à 64 s, 74 s, 66 s et 69 s, respectivement (Fig. 4c). Les résultats montrent la fonction de l'eau contenue dans les revêtements hydrogel pour limiter la propagation du feu de la surface vers l'intérieur du bois. Il est en outre prouvé par les résultats du taux de dégagement de chaleur (HRR) et du dégagement de chaleur total (THR) sur les Fig. 4a, b. Il y a deux pics dans les courbes HRR du bois pur. Lorsque la température atteint environ 250 °C, les gaz de combustion de H2 et CH4 sont générés avec la carbonisation de la surface du bois. Ces gaz sont enflammés à la température d'inflammation sous ressource thermique, puis le feu apparaît à l'intérieur, ce qui entraîne le premier pic. Lorsque le feu s'est propagé à la surface de la couche de carbonisation, aucun gaz de combustion décomposé du bois et du combustible n'est appliqué à partir de matières volatiles à l'intérieur du bois. Dans ces circonstances, la flamme brûlante se transforme en combustion sans flamme et le deuxième pic apparaît. Par rapport au bois pur, il existe également deux pics dans les courbes HRR du bois revêtu d'hydrogel M0, mais le temps d'apparition des deux pics est plus tardif que le bois pur. Cela est dû au revêtement d'hydrogel M0 qui pourrait isoler l'O2 du contact avec le bois dans des conditions de chauffage. Il convient de noter qu'un seul pic apparaît dans les courbes HRR de M0,1, M0,2 et M0,3 du bois revêtu d'hydrogel. Cela peut être attribué à la couche de charbon plus dense formée avec l'introduction de MXène qui augmente considérablement la capacité de résistance à la chaleur du revêtement d'hydrogel, ce qui entraîne la flamme brûlante et le phénomène de combustion sans flamme se produit en même temps. En outre, le temps d'apparition du taux de dégagement de chaleur maximal (pHRR) et du dégagement de chaleur total (THR) du bois pur et du bois revêtu d'hydrogel M0, M0.1, M0.2 et M0.3 est de 70, 75, 90, 95, 95 s et 23,96, 16,41, 14,65, 14,72, 15,30 MJ/m2, respectivement. Les résultats montrent une meilleure capacité ignifuge du revêtement hydrogel avec l'introduction de MXene. Il convient de noter qu'avec l'augmentation de la teneur en MXene, il y a une légère augmentation du HRR et du THR. C'est peut-être parce que plus de MXène apporte plus d'élément C, ce qui entraîne une augmentation du HRR et du THR. Mais la petite augmentation peut être ignorée car elle reste inférieure à M0 pour le bois revêtu d'hydrogel en HRR et THR. Pour comparer les performances d'ignifugation de ce travail avec d'autres travaux, nous avons répertorié un tableau pour montrer l'excellente capacité ignifuge du revêtement M-hydrogel dans le domaine du bois ignifuge (tableau S2).

Stabilité thermique et mécanisme ignifuge des revêtements M-hydrogel. Résultats CCT du bois revêtu et non revêtu de M-hydrogel. (a) HRR, (b) THR, (c) TTI. (d) Résultats du transfert de chaleur du bois pur, du bois revêtu d'hydrogel M0 et M0,3. (e, f) Courbes TG et DTG des hydrogels M0 et M0.3. ( g ) L'illustration schématique des mécanismes ignifuges des revêtements M-hydrogel.

En tant que propriété critique, la capacité de résistance à la chaleur du M-hydrogel est évaluée par caméra infrarouge. Le côté revêtu d'hydrogel M des échantillons est exposé à un feu ouvert, tandis que la température du côté arrière est enregistrée par une caméra infrarouge et les résultats peuvent être vus sur la figure 4d. Pour le bois pur, la température de la face arrière monte rapidement à 150 ℃ tandis que le bois revêtu d'hydrogel M0 et M0.3 présente une excellente capacité de résistance à la chaleur. A environ 100 °C, la montée en température des bois revêtus d'hydrogel M0 et M0.3 apparaît significativement différée. En effet, l'évaporation de l'eau dans le revêtement hydrogel apporte le plus de chaleur. De plus, la température du bois revêtu d'hydrogel M0.3 reste inférieure à 100 ° C de 100 à 175 s, ce qui peut être attribué à la couche de charbon plus dense formée par le revêtement d'hydrogel M0.3 résistant à plus de chaleur.

Les résultats de l'analyse thermogravimétrique (TGA) et de la gravité thermique différentielle (DTG) sont fournis pour explorer la propriété thermique de la Fig. 4e, f et les données connexes sont répertoriées dans le tableau 3. T10% apparaît à 130,56 et 125,86 ° C de M0 et M0. 3 hydrogels. Le processus de décomposition de l'hydrogel M0 et M0.3 peut être divisé en 5 parties. TI et TII à 130,12, 162,25 et 130,68, 158,33 ° C de l'hydrogel M0 et M0,3 peuvent être attribués à la déshydratation de l'hydroxyle de PVA et PA. TIII et TIV à 310,28, 435,42 et 258,35, 327,06 ° C de l'hydrogel M0 et M0,3 peuvent être attribués à la décomposition de la chaîne latérale et de la chaîne principale du PVA. La TV survient à 644,41 et 678,45 ° C de l'hydrogel M0 et M0,3 peut être expliquée comme le processus de décomposition des groupes phytates dans PA47. Lorsque la température atteint 800 ° C, la masse restante de l'hydrogel M0 et M0.3 est de 26,96 % et 30,58 %, ce qui démontre l'amélioration de la stabilité thermique dans l'hydrogel avec l'introduction de MXene.

Sur la base de tous les résultats des expériences ci-dessus, les mécanismes ignifuges peuvent être attribués comme suit (Fig. 4g): (I) Effet de refroidissement dû à la grande capacité thermique et à l'enthalpie d'évaporation de l'eau. (II) PA en tant que retardateur de flamme à base de phosphore, favorise la déshydratation du bois en carbone et prolonge le processus de combustion du bois à chaud. (III) Couche de carbonisation plus dense et plus dure en raison de l'introduction de MXene, qui isole la plupart de l'O2 et de la propagation de la chaleur.

Un revêtement ignifuge en hydrogel PVA/PA/MXène a été développé et appliqué sur le bois via une méthode simple de chauffage en un seul pot et de cycle de congélation-décongélation. Le revêtement présente une excellente propriété d'auto-guérison (sans autre source) et une rétention d'eau élevée (teneur en eau ≥ 90 %) en raison de l'augmentation des liaisons hydrogène avec l'introduction de MXene. En outre, le bois revêtu d'hydrogel PVA/PA/MXene présente une ignifugation améliorée, comme l'obtention de la cote V0 dans le test UL-94, l'augmentation du TTI (de 32 à 69 s) et une diminution du HRR et du THR de 41,6 % et 31,64 % en CCT. tests, respectivement. Mécanismes ignifuges multiples de (I) : effet de refroidissement et grande capacité thermique d'une teneur élevée en eau dans l'hydrogel ; (II) la promotion de la formation d'une couche carbonisée due au PA (retardateur de flamme à base de phosphore) ; (III) la couche carbonisée compacte formée lors de la combustion due au MXène renforce l'effet de barrière physique aux gaz inflammables, à la chaleur et à l'oxygène, les mécanismes ignifuges ci-dessus assurent la sécurité incendie du bois. De plus, le revêtement ignifuge pourrait être appliqué sur d'autres matériaux d'ingénierie (RPUF), montrant sa large application dans les matériaux de structure avec l'exigence de sécurité incendie.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (22175066), la Natural Science Foundation of Guangdong Province (Grant No. 2019A1515011044), le Opening Fund of State Key Laboratory of Fire Science (SKLFS; Grant No. HZ2021-KF14) , le Fonds commun Guangdong-Guangxi (subvention n° 2021A1515410003) et le Fonds de démarrage de la recherche scientifique pour le personnel de haut calibre de Shenzhen de SZPT (n° 6022310043K).

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Xiaojiong Zhao et Min Tian.

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

Xiaojiong Zhao, Min Tian et Saihua Jiang

Guangdong Provincial Key Laboratory of Technique and Equipment for Macromolecular Advanced Manufacturing, South China University of Technology, Guangzhou, 510641, République populaire de Chine

Xiaojiong Zhao et Saihua Jiang

State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Jinzhai Road 96, Hefei, 230026, République populaire de Chine

Saihua Jiang

Institut de recherche sur la technologie des véhicules à énergie nouvelle, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, 518055, Guangdong, République populaire de Chine

Ruichao Wei

École d'automobile et de transport, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, 518055, Guangdong, République populaire de Chine

Ruichao Wei

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XZ : Conceptualisation, Méthodologie, Enquête, Rédaction—ébauche originale, Écriture—révision et révision.MT : Conceptualisation, Méthodologie, Enquête, Rédaction—ébauche originale, Rédaction—révision et révision.SJ : Supervision, Acquisition de financement, Ressources, Rédaction—révision et édition.RW : Supervision, Acquisition de financement, Ressources.Tous les auteurs ont révisé le manuscrit.

Correspondance avec Ruichao Wei ou Saihua Jiang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zhao, X., Tian, ​​M., Wei, R. et al. Fabrication facile d'un nouveau revêtement hydrogel/MXène auto-cicatrisant et ignifuge pour le bois. Sci Rep 13, 1826 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28228-5

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Reçu : 03 novembre 2022

Accepté : 16 janvier 2023

Publié: 01 février 2023

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

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