兼具火灾预警与阻燃功能磁性碳基复合气凝胶及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶及制备方法，通过将复合气凝胶的功能体均匀分散于天然生物质水溶液基体中，利用分子间氢键、π

【技术实现步骤摘要】
兼具火灾预警与阻燃功能磁性碳基复合气凝胶及制备方法


[0001]本专利技术涉及功能纳米复合材料
，具体涉及一种兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶及制备方法。

技术介绍

[0002]有机气凝胶由于其超轻、高孔隙率和优异的隔热性能，近年来受到越来越多的关注，在航空航天、化学工程、建筑、电工技术、水净化和生物医学等方面具有应用潜能。但通常有机气凝胶高度易燃，这严重限制了其实际应用，因此提高有机气凝胶的防火安全性能势在必行。研究表明，加入无机填料如层状蒙脱石、碳酸氢钠、二氧化硅、石墨烯等可显著提高有机气凝胶的阻燃性能。基于此，目前增强气凝胶火安全性能的研究探索，多集中于阻燃领域。
[0003]通过监控电阻、温度、烟雾浓度或红外强度等的变化，在火灾发生前，由特定功能材料触发报警可实现火灾预防关口前移，因此赋予气凝胶敏感的火灾预警能力是进一步提升火安全性的有效途径。
[0004]碳纳米管、氧化石墨烯等碳纳米材料具有热还原作用，高温下电阻急剧降低的半导体行为是实现火灾预警的重要前提，可用于防火材料。目前鲜有研究机构成功制备出具备灵敏火灾预警能力的三明治状纳米涂层，并实现较短时间(<1s)的防火预警响应。然而，气凝胶由于其高孔隙率和复杂网络结构，赋予其灵敏的火灾预警能力仍然面临挑战。因此发展一种简便、环保、经济的方法，充分利用碳纳米材料的火灾预警能力，磁性Fe3O4纳米颗粒、SiO
2 Janus纳米片的协同、高效阻燃特性制备系列兼具火灾预警与阻燃功能型碳基复合气凝胶，是研究防火材料、提升其火安全性能的重要前沿科学问题。

技术实现思路

[0005]针对目前对火安全性气凝胶的需求，本专利技术的目的是提供一种兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶及其制备方法与应用。
[0006]为了实现本专利技术的专利技术目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶，所述磁性碳基复合气凝胶由磁性碳纳米材料、两亲性二氧化硅Janus纳米片及天然生物质基体通过分子间氢键和π
‑
π相互作用自组装之后，经冷冻干燥制备而成。
[0008]所述磁性碳纳米材料为磁性纳米颗粒改性的碳纳米材料。
[0009]所述两亲性二氧化硅Janus纳米片为一侧苯环基，另一侧氨基的二氧化硅Janus纳米片。
[0010]所述天然生物质基体为羧甲基壳聚糖、羟丙基壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、纤维素纳米纤维、海藻酸钠中的一种或多种。
[0011]作为优选，所述磁性纳米颗粒为Fe3O4、Fe/Fe3O4、CoFe2O4中的一种或多种，所述碳纳米材料为氧化石墨烯纳米片、氨基化碳纳米管、羧基化碳纳米管、羟基化碳纳米管中的一
种或多种；所述天然生物质基体和所述两亲性二氧化硅Janus纳米片在所述磁性碳基复合气凝胶中所占总比例为30
‑
90wt％，磁性碳纳米材料在所述磁性碳基复合气凝胶中所占质量比为1
‑
50wt％(其余物质主要为溶剂水)。
[0012]本专利技术提供一种兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶的制备方法，具体包括磁性碳纳米材料、两亲性无机二氧化硅Janus纳米片作为复合气凝胶的功能体，均匀分散于天然生物质水溶液基体中，利用分子间氢键、π
‑
π相互作用构建三维网络结构，制备兼具火灾预警与阻燃功能型碳基复合气凝胶。改变各组分组成与添加量、两种功能体添加方式、顺序等因素，制备系列功能复合气凝胶，建立材料组成
‑
结构
‑
性能内在联系，实现气凝胶制备过程的优化设计。
[0013]一种上述的兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)碳纳米材料磁化改性：在碳纳米材料分散液中加入磁性金属氧化物的前驱体，通过碱性催化，且在加热条件下共沉淀原位生成磁性纳米颗粒改性的磁性碳纳米材料；或对既有磁性纳米颗粒表面进行硅烷配体交换，利用磁性颗粒和碳纳米材料表面的官能团间反应实现碳纳米材料磁化改性。
[0015](2)两亲性二氧化硅Janus纳米片制备：将三种硅前驱体在乳液界面溶胶凝胶，利用乳液界面材料化法合成内外表面化学性质不同且严格分区的二氧化硅的中空球，然后通过机械破碎，得到二氧化硅Janus片；其中所述三种硅前驱体为氨基类硅烷偶联剂、正硅酸乙酯和苯基类硅烷偶联剂。
[0016](3)磁性碳基复合气凝胶的制备：在天然生物质基体水溶液中，在超声条件下加入步骤(1)制备得到的磁性碳纳米材料和步骤(2)制备得到的二氧化硅Janus纳米片，利用分子间氢键和π
‑
π相互作用实现交联，陈化后经冷冻干燥制备得到兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶产品。
[0017]作为优选，制备方法步骤(1)所述碳纳米材料磁化改性过程，其特征在于，可通过共沉淀原位生长磁性纳米颗粒和利用官能团间反应接枝磁性纳米颗粒两种方法实现。
[0018]作为优选，其中共沉淀方法为：碳纳米材料分散液磁力搅拌下除氧，向其加入摩尔比为2:1的Fe
3+
、Fe
2+
/Co
2+
，室温搅拌2
‑
5小时，后升温至70
‑
90℃，加入氨水、氢氧化钠调节溶液pH值为9
‑
12，恒温反应1
‑
2小时。
[0019]作为优选，接枝方法：超声条件下磁性纳米颗粒甲苯/正己烷分散液中加入氨基硅烷和/或羧基硅烷，其中所述硅烷与所述磁性纳米颗粒的质量比为(5～20):1；加入2
‑
3滴冰醋酸或稀盐酸等酸性催化剂，反应24
‑
48h。
[0020]所述氨基硅烷为3
‑
氨基丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨基丙基三乙氧基硅烷、3
‑
(2
‑
氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷、4
‑
氨基丁基二甲基甲氧基硅烷、4
‑
氨基丁基三乙氧基硅烷、3
‑
[(2
‑
氨基乙基氨基)丙基]二甲氧基硅烷、(3
‑
氨基丙基)二甲基乙氧基硅烷中的一种或多种；
[0021]所述羧基硅烷为4
‑
[(三甲基硅基)乙炔基]苯甲酸和/或3
‑
[二乙氧基(甲基)甲硅烷基]甲基丙烯酸丙酯。
[0022]作为优选，制备方法步骤(2)中，将50～53℃石蜡的油相基体，正硅酸乙酯、氨基类硅烷偶联剂和苯基类硅烷偶联剂的硅前驱体和苯乙烯
‑
马来酸酐共聚物水溶液混合，通过
酸调节pH为2～3，并在温度为60～80℃的条件下，在10000
‑
15000rpm的转速下剪切乳化4～6min，然后在该温度下恒温反应6
‑
12h，然后经正己烷溶解石蜡，制备得到二氧化硅的中空球本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶，其特征在于，所述磁性碳基复合气凝胶由磁性碳纳米材料、两亲性二氧化硅Janus纳米片及天然生物质基体通过分子间氢键和π
‑
π相互作用实现自组装后，经冷冻干燥制备而成；所述磁性碳纳米材料为磁性纳米颗粒改性的碳纳米材料；所述两亲性二氧化硅Janus纳米片为一侧苯环基，另一侧氨基的二氧化硅Janus纳米片；所述天然生物质基体为羧甲基壳聚糖、羟丙基壳聚糖、羟丙基甲基纤维素、纤维素纳米纤维、海藻酸钠中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶，其特征在于，所述磁性纳米颗粒为Fe3O4、Fe/Fe3O4、CoFe2O4中的一种或多种，所述碳纳米材料为氧化石墨烯纳米片、氨基化碳纳米管、羧基化碳纳米管、羟基化碳纳米管中的一种或多种；所述天然生物质基体和所述两亲性二氧化硅Janus纳米片在所述磁性碳基复合气凝胶中所占总比例为30
‑
90wt％，磁性碳纳米材料在所述磁性碳基复合气凝胶中所占质量比为1
‑
50wt％。3.一种权利要求1或2所述的兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳纳米材料磁化改性：在碳纳米材料分散液中加入磁性金属氧化物的前驱体，通过碱性催化，且在加热条件下共沉淀原位生成磁性纳米颗粒改性的磁性碳纳米材料；或对既有磁性纳米颗粒表面进行硅烷配体交换，利用磁性颗粒和碳纳米材料表面的官能团间反应实现碳纳米材料磁化改性；(2)两亲性二氧化硅Janus纳米片制备：将三种硅前驱体在乳液界面溶胶凝胶，利用乳液界面材料化法合成内外表面化学性质不同且严格分区的二氧化硅的中空球，然后通过机械破碎，得到二氧化硅Janus片；其中所述三种硅前驱体为氨基类硅烷偶联剂、正硅酸乙酯和苯基类硅烷偶联剂；(3)磁性碳基复合气凝胶的制备：在天然生物质基体水溶液中，在超声条件下加入步骤(1)制备得到的磁性碳纳米材料和步骤(2)制备得到的二氧化硅Janus纳米片，利用分子间氢键和π
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π相互作用实现交联，陈化后经冷冻干燥制备得到兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶产品。4.根据权利要求3所述的兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体为：将碳纳米材料分散于分散液中，其中碳纳米材料与分散液的比例为(1～5g)：(40～60ml)。然后通入惰性气体除氧1～3h，然后再加入磁性金属氧化物的前驱体，在惰性气体保护下，室温搅拌2～6h，然后升温至70～90℃，然后加入碱性溶液，调节溶液pH为9.5～12.5，保持反应约0.8～1.9h后，采用磁铁收集，并冲洗2次以上，得到磁性纳米颗粒改性的碳纳米材料。5.根据权利要求4所述的兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，所述分散液为去离子水；所述惰性气体为氮气；所述碱性溶液为氨水。6.根据权利要求3所述的兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中通过共沉淀原位生长磁性纳米颗粒和利用官能团间反应接枝磁性纳米颗粒两种方法实现。
7.根据权利要求3所述的兼具火灾预警与阻燃性的磁性碳基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体为：(a)将乙酰丙酮铁(III)，乙酰丙酮钴(II)，1,2
‑
十六二醇，酸，油酸胺和苄基醚在惰性气体保护下混合搅拌均匀，其中乙酰丙酮铁(III)：乙酰丙酮钴(II)：1,2
‑
十六二醇：油酸：油酸胺：苄基醚为(1.8～2.2mmol)：(0.8～1.3mmol)：(9～11mmol)：(5.5～5.8mmol)：(18～22ml)，然后缓慢加热到180～203℃反应1.5～2.5h，然后在惰性气体保护下加热至回流，加热温度为295～303℃，时间为0.8～1.3h，然后冷却至室温，继而向反应液中加入乙醇沉淀，其中乙醇的加入量为苄基醚加入量的2～3倍，沉淀物经乙醇2～5次洗涤后，分散到正己烷中得到CoFe2...

【专利技术属性】
技术研发人员：史聪灵，井静云，刘国林，钱小东，
申请(专利权)人：中国安全生产科学研究院，
类型：发明
国别省市：