氧化石墨烯/蒙脫土協(xié)同增強纖維素納米纖維氣凝膠的制備與表征 轉(zhuǎn)載于漢斯學(xué)術(shù)交流平臺，如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們

氧化石墨烯/蒙脫土協(xié)同增強纖維素納米纖維氣凝膠的制備與表征 內(nèi)容總結(jié)：

隨著社會的快速發(fā)展，用于建筑隔熱材料的消耗日益增加，全球40%以上的能源用來維持建筑舒適的室內(nèi)溫度。日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題迫使人們開發(fā)新型環(huán)保節(jié)能的保溫絕緣材料。氣凝膠憑借其高孔隙率、低密度以及高的比表面積在隔熱、阻燃、吸附、電容器等方面獲得廣泛的關(guān)注 u200e[1] u200e[2] u200e[3] 。但是傳統(tǒng)有機氣凝膠因其易燃、力學(xué)性能差的缺點在實際應(yīng)用中受到了許多的限制。而纖維素氣凝膠憑借其天然可再生的優(yōu)勢獲得廣泛的關(guān)注 u200e[4] 。但纖維素其本身也是一種可燃材料，因此如何增強維素氣凝膠的阻燃性能與力學(xué)性能是研究的重點。

內(nèi)容：

1. 引言

隨著社會的快速發(fā)展，用于建筑隔熱材料的消耗日益增加，全球40%以上的能源用來維持建筑舒適的室內(nèi)溫度

日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題迫使人們開發(fā)新型環(huán)保節(jié)能的保溫絕緣材料

氣凝膠憑借其高孔隙率、低密度以及高的比表面積在隔熱、阻燃、吸附、電容器等方面獲得廣泛的關(guān)注 u200e[1] u200e[2] u200e[3]

但是傳統(tǒng)有機氣凝膠因其易燃、力學(xué)性能差的缺點在實際應(yīng)用中受到了許多的限制

而纖維素氣凝膠憑借其天然可再生的優(yōu)勢獲得廣泛的關(guān)注 u200e[4]

但纖維素其本身也是一種可燃材料，因此如何增強維素氣凝膠的阻燃性能與力學(xué)性能是研究的重點

鈉基蒙脫土(Na-MMT)作為一種廣泛使用的無機阻燃填料，具有高模量和易于獲得的特點，同時其表面豐富的氫鍵吸附可以在纖維素底物表面，嵌入其空隙結(jié)構(gòu)當(dāng)中，增加材料的阻燃性能 u200e[5]

先前的工作已經(jīng)表明使用二維材料例如剝落黏土 u200e[6] 可以通過產(chǎn)生聲子勢壘從而降低固體熱傳導(dǎo) u200e[7]

基于這些特性許多研究都選擇Na-MMT作為復(fù)合材料的阻燃劑

氧化石墨烯(GO)為石墨烯的一種重要衍生物，具有優(yōu)異的物理性能與化學(xué)結(jié)構(gòu)

有研究發(fā)現(xiàn)粘土和石墨烯等納米材料能夠為有機聚合物復(fù)合材料提供良好的阻燃性能與機械性能 u200e[8] u200e[9] ，另外氧化石墨烯(GO)可以通過與MMT之間的物理相互作用提高MMT在聚合物基質(zhì)中的均勻分散 u200e[10] ，以便提高復(fù)合氣凝膠的整體性能

基于此，本文采用GO與MMT協(xié)同增強CNF基氣凝膠，通過定向冷凍干燥的方法制備了一系列CNF/GO/MMT復(fù)合氣凝膠，與純CNF氣凝膠相比，復(fù)合氣凝膠在保持低熱導(dǎo)率的前提下，阻燃性能與力學(xué)性能得到了極大的提高

2. 實驗部分2.1. 實驗主要原料石墨粉，濃硫酸(H2SO4)，高猛酸鉀(KMnO4)，過氧化氫(H2O2)購買于阿拉丁工業(yè)有限公司

羧基化纖維素(CNF，直徑50 nm，長度1~3 um)、鈉基蒙脫土(K-10)購買自麥克林試劑有限公司，以上試劑都直接使用未經(jīng)過進一步純化

所有實驗均使用去離子水

2.2. 實驗主要設(shè)備分析天平(BS124S，賽多利斯)，恒溫水浴鍋(DK420，上海精宏實驗設(shè)備有限公司)，磁力攪拌臺(RCT基本型，IKA)薄膜X射線衍射儀(X 'Pert，G3051，荷蘭)，熱重分析儀(SDT Q600，TA)，恒熱分析儀(Hot Disk TPS 2500S)測量氣凝膠的熱導(dǎo)率，紅外熱成像儀(Fluck Tis75，美國)

2.3. 樣品制備GO的制備：稱量1 g石墨粉放入圓底燒瓶中，取48 ML濃硫酸倒入其中，然后冰浴攪拌2 h，攪拌過程中要一直保證冰浴的溫度低于10℃，然后在十分鐘的時間內(nèi)緩慢均勻的加入6 g的高錳酸鉀(KMnO4)，加入后繼續(xù)冰浴攪拌四個小小時，在35℃的水浴中攪拌2個小時，之后在30分鐘內(nèi)緩慢加入40 ml去離子水，加入后在油浴中(95℃)攪拌30 min，然后加入100去離子水，最后加入10 ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的過氧化氫(H2O2)，加入后溶液立即變?yōu)榻瘘S色

之后將得到的溶液分別用10%的HCl去離子水離心洗滌3次

將得到的沉淀放入真空烘箱中60℃烘24小時得到制備的GO

CNF，CNF/GO/MMT復(fù)合氣凝膠的制備：CNF，CNF/GO/MMT氣凝膠通過定向冷凍干燥的方法制備而成

稱取0.5 g的納米纖維素加入到50 ml去離子水中攪拌20 min獲得均勻的納米纖維素溶液，然后將分別加入GO粉末和蒙脫土粉末，攪拌十分鐘后超聲30 min以獲得均勻的混合溶液，將得到的復(fù)合溶液倒入磨具中，放在被液氮淹沒的銅塊上面快速冷凍20 min，然后將樣品放入冷凍干燥機中冷凍干燥48 h，得到復(fù)合氣凝膠

其中GO的含量不變(0.25 g)，MMT的含量分別為5%、10%、15%，樣品命名為CNF/GO/MMT-X (其中X為5%、10%、15%)，采用同樣的方法制備了純CNF氣凝膠作為對比

3. 實驗結(jié)果與討論3.1. CNF/GO/MMT復(fù)合氣凝膠的宏觀與微觀形貌分析



Figure 1. Flow chart of CNF/GO/MMT composite aerogel preparation

圖1. CNF/GO/MMT復(fù)合氣凝膠制備流程

圖

圖1為CNF/GO/MMT復(fù)合氣凝膠制備流程

圖，CNF/GO/MMT復(fù)合氣凝膠的密度如表1

樣品	密度(g/cm3)
CNF	0.0063
CNF/GO/MMT-5%	0.0647
CNF/GO/MMT-10%	0.0832
CNF/GO/MMT-15%	0.1132

所示，制備的氣凝膠具有超輕的特質(zhì)，其中，CNF/GO/MMT-10%的密度最低為0.0647 g/cm3，造成這個現(xiàn)象的可能解釋為當(dāng)MMT含量為10%時，GO與MMT的協(xié)同分散最好，所得的氣凝膠的孔隙率最高

同時與熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)相契合

圖2為CNF/GO/MMT氣凝膠的sem

圖像，由

圖可以看出氣凝膠中形成了順著冰晶生長方向的均勻孔洞的形成，同時通過氣凝膠軸向的sem可以看到由下往上氣凝膠壁層的形成，同時在壁層之間形成了納米纖維素的交聯(lián)，形成了更多的孔洞，增加了氣凝膠的孔隙率

Table 1. Density of composite aerogel samples表1

樣品	密度(g/cm3)
CNF	0.0063
CNF/GO/MMT-5%	0.0647
CNF/GO/MMT-10%	0.0832
CNF/GO/MMT-15%	0.1132

. 復(fù)合氣凝膠樣品的密度



Figure 2. Sem images of CNF/GO/MMT-10% aerogels

圖2. CNF/GO/MMT-10%氣凝膠的sem

圖像3.2. CNF、CNF/GO/MMT氣凝膠熱穩(wěn)定性分析



Figure 3. (A) Thermal conductivity of CNF and CNF/GO/MMT aerogels, (B) Thermogravimetric curves of CNF and CNF/GO/MMT aerogels, (C) Infrared thermography images of CNF and CNF/GO/MMT aerogels

圖3.(A) CNF、CNF/GO/MMT氣凝膠熱導(dǎo)率，(B) CNF、CNF/GO/MMT氣凝膠熱重曲線，(C) CNF、CNF/GO/MMT氣凝膠紅外熱成像

圖像

圖3為氣凝膠的熱導(dǎo)率

圖片，可以看出隨著GO和MMT的加入，氣凝膠的熱導(dǎo)率并沒有受到明顯的下降，其中，CNF/GO/MMT的熱導(dǎo)率最低(37.43 mW mK?1)，另外通過紅外熱成像儀探究氣凝膠的熱穩(wěn)定性，如

圖3(B)所示，將CNF與CNF/GO/MMT-10%放置在100℃的恒溫加熱板上觀察其溫度變化，發(fā)現(xiàn)相比于CNF氣凝膠，CNF/GO/MMT復(fù)合氣凝膠的溫度上升更為緩慢，同時，其達(dá)到熱平衡時的溫度也比CNF氣凝膠低6℃

圖3(C)為氣凝膠的熱重曲線分析，CNF和CNF/GO/MMT氣凝膠的質(zhì)量損失可以分為三個階段，在從室溫加熱到200℃左右，所有樣品都呈現(xiàn)出釋放水分的趨勢

復(fù)合氣凝膠第二損失階段來自GO的分解(290℃~400℃)，而最終的質(zhì)量損失為CNF的熱分解反應(yīng)造成

阻燃劑GO與MMT的加入明顯的降低了材料的質(zhì)量損失，由純CNF的90%提升為80%，同時降低了氣凝膠的熱分解速率

3.3. CNF、CNF/GO/MMT氣凝膠力學(xué)性能分析

圖4(A)所示為CNF，CNF/GO/MMT-10%氣凝膠的應(yīng)力應(yīng)變曲線，復(fù)合氣凝膠的力學(xué)行為分為三個階段，5%~15%的線彈性階段、15%~60%的長應(yīng)變階段以及60%~80%的致密化過程

在80%應(yīng)變時復(fù)合氣凝膠的抗壓強度達(dá)到了669 Kpa，是純CNF氣凝膠(110 KPa)的6倍，說明GO與MMT的加入顯著的提高了氣凝膠的力學(xué)性能

圖4(B)所示，制備的CNF/GO/MMT復(fù)合氣凝膠能夠很輕易的被花瓣支撐，同時在承受超過自身500倍的重量時不發(fā)生形變(

圖4(C)、

圖4(D))



Figure 4. (A) Stress-strain curves of CNF and CNF/GO/MMT-10% aerogel, (B) Physical drawing of CNF/GO/MMT-10% aerogel, (C, D) Comparison of CNF/GO/MMT-10% aerogel before and after subjecting it to 1 kg weights

圖4. (A) CNF、CNF/GO/MMT-10%氣凝膠應(yīng)力應(yīng)變曲線，(B) CNF/GO/MMT-10%氣凝膠實物

圖，(C、D) CNF/GO/MMT-10%氣凝膠承受1 kg砝碼前后對比

圖3.4. CNF、CNF/GO/MMT氣凝膠阻燃性能分析采用酒精燈燃燒氣凝膠評價GO和MMT對復(fù)合氣凝膠阻燃性能的影響，燃燒過程如

圖5所示，制備的樣品長1 cm，寬4 cm，樣品在酒精燈上燃燒10 s后拿出，通過燃燒后可以發(fā)現(xiàn)樣品的變化有明顯的區(qū)別，燃燒后樣品表面有變黑的現(xiàn)象，這是因為GO與纖維素的碳化造成的，但隨著MMT含量的增加可以看出樣品變黑的長度逐漸減少，同時樣品內(nèi)部沒有受到明顯影響，另外

圖5可以看出，經(jīng)過燃燒之后，雖然有變黑的現(xiàn)象出現(xiàn)，但復(fù)合氣凝膠并沒有出現(xiàn)形變或塌陷的現(xiàn)象，燃燒前后的長度保持一致，證明了GO/MMT的加入提高了氣凝膠的阻燃性能，同時，隨著MMT含量的增加，阻燃效果更明顯，但是10% MMT含量的分散性更好，過多的加入MMT并不會增加復(fù)合氣凝膠的其他性能



Figure 5. (A, B, C) Comparison of CNF/GO/MMT-5%, CNF/GO/MMT-10%, and CNF/GO/MMT-15% aerogels before and after combustion, (D) Comparison of the length of composite aerogels before and after combustion

圖5. (A、B、C) CNF/GO/MMT-5%、CNF/GO/MMT-10%、CNF/GO/MMT-15%氣凝膠燃燒前后對比

圖，(D)復(fù)合氣凝膠燃燒前后長度對比

圖4. 結(jié)論

以纖維素納米纖維為基底，GO與MMT作為增強相，結(jié)合定向冷凍的方法制備了CNF/GO/MMT復(fù)合氣凝膠

對復(fù)合氣凝膠進行了SEM表征，同時對復(fù)合氣凝膠進行了密度、熱重、力學(xué)、阻燃等性能的測試，發(fā)現(xiàn)GO/MMT的加入能夠在保持氣凝膠低熱導(dǎo)率的情況下(37.43 mW mK?1)，顯著的增強其力學(xué)性能與阻燃性能

其中CNF/GO/MMT-10%復(fù)合氣凝膠的抗壓強度從純CNF氣凝膠的110 Kpa提升為669 Kpa，能夠承受超過自身500倍的重量而不發(fā)生變形，同時阻燃性能也顯著提升，GO/MMT的加入使得復(fù)合氣凝膠在燃燒時不會發(fā)生收縮與坍塌的現(xiàn)象，同時復(fù)合氣凝膠的內(nèi)部并沒有燃燒的跡象

這些結(jié)果表明合成的復(fù)合氣凝膠在隔熱阻燃材料領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值

參考文獻

參考文獻

[1]	Zhou, S., Apostolopoulou-Kalkavoura, V. and TavaresCosta, M.V. (2020) Elastic Aerogels of Cellulose Nano-fibers@Metal-Organic Frameworks for Thermal Insulation and Fire Retardancy. Nano-Micro Letters, 12, Article No. 9. https://doi.org/10.1007/s40820-019-0343-4
[2]	Hu, Y., Cao, M. and Xu, J. (2023) Thermally Insulating and Electroactive Cellular Nanocellulose Composite Cryogels from Hybrid Nanofiber Networks. Chemical Engineering Journal, 455, Article 140638. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140638
[3]	Zhang, Y.-G., Zhu, Y.-J. and Xiong, Z.-C. (2018) Bioinspired Ultralight Inorganic Aerogel for Highly Efficient Air Filtration and Oil-Water Separation. ACS Applied Materials & Interfaces, 10, 13019-13027. https://doi.org/10.1021/acsami.8b02081
[4]	De France, K.J., Hoare, T. and Cranston, E.D. (2017) Review of Hydrogels and Aerogels Containing Nanocellulose. Chemistry of Materials, 29, 4609-4631. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b00531
[5]	Long, L.-Y., Li, F.-F. and Weng, Y.-X. (2019) Effects of Sodium Montmorillonite on the Preparation and Properties of Cellulose Aerogels. Polymers, Multidisciplinary Dig-ital Publishing Institute, 11, Article 415. https://doi.org/10.3390/polym11030415
[6]	Losego, M.D., Blitz, I.P. and Vaia, R.A. (2013) Ultralow Thermal Conductivity in Organoclay Nanolaminates Synthesized via Simple Self-Assembly. Nano Letters, American Chemical Society, 13, 2215-2219. https://doi.org/10.1021/nl4007326
[7]	Losego, M.D., Grady, M.E. and Sottos, N.R. (2012) Effects of Chemical Bonding on Heat Transport across Interfaces. Nature Materials, 1, 502-506. https://doi.org/10.1038/nmat3303
[8]	Li, J., Zhou, M. and Cheng, G. (2019) Fabrication and Characterization of Starch-Based Nanocomposites Reinforced with Montmorillonite and Cellulose Nanofibers. Carbohydrate Pol-ymers, 210, 429-436. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.01.051
[9]	Wang, H., Cao, M. and Zhao, H.-B. (2020) Dou-ble-cross-Linked Aerogels towards Ultrahigh Mechanical Properties and Thermal Insulation at Extreme Environ-ment. Chemical Engineering Journal, 399, Article 125698. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125698
[10]	Zuo, L., Fan, W. and Zhang, Y. (2017) Gra-phene/Montmorillonite Hybrid Synergistically Reinforced Polyimide Composite Aerogels with Enhanced Flame-Retardant Performance. Composites Science and Technology, 139, 57-63. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2016.12.008

摘要: 納米纖維素基氣凝膠因其材料天然可再生的特點受到廣泛的關(guān)注，但其易燃、機械性能差的缺點使其實際應(yīng)用受到限制。本文以納米纖維素為基底，氧化石墨烯(GO)與鈉基蒙脫土(Na-MMT)為填料，通過定向冷凍干燥制備了CNF/GO/MMT復(fù)合氣凝膠。定向冷凍的方法使得復(fù)合氣凝膠保持了較低的熱導(dǎo)率(37.43 mW mK?1)，同時與純CNF氣凝膠相比，復(fù)合氣凝膠的抗壓強度提高了6倍(達(dá)到669 KPa)，阻燃性能也得到了顯著的提升。這些測試結(jié)果表明通過GO/MMT的加入，成功地提高了復(fù)合氣凝膠的綜合性能，為建筑隔熱材料提供了新的選擇。

標(biāo)簽：納米纖維素,蒙脫土,氣凝膠,隔熱,阻燃,Nanocellulose,

原文請看：https://www.hanspub.org/journal/PaperInformation?paperID=83235如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們！