Facile fabbricazione di un nuovo sé

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1826 (2023) Citare questo articolo

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Per migliorare il ritardo di fiamma del legno, è stato sviluppato un nuovo rivestimento in alcol polivinilico/acido fitico/idrogel MXene ad elevata ritenzione idrica e autoriparante attraverso semplici metodi di riscaldamento a vaso unico e ciclo di congelamento-scongelamento, quindi verniciato sulla superficie del legno. Il rivestimento mostra eccellenti proprietà di autoriparazione e proprietà di ritenzione idrica significativamente migliorate (contenuto di acqua ≥ 90% in peso), grazie all'aumento dei legami idrogeno all'interno del sistema di rivestimento con la presenza di nanofogli di MXene. Rispetto al legno incontaminato, il ritardo di fiamma del legno rivestito è notevolmente migliorato, come il superamento della classificazione V0 nel test UL-94, l'aumento del tempo di accensione (TTI, da 32 a 69 s) e la diminuzione della velocità di rilascio del calore e del rilascio di calore totale di 41,6% e 36,14%. L’effetto di raffreddamento e la grande capacità termica dell’idrogel ad alta ritenzione d’acqua e gli effetti di barriera fisica per i prodotti gassosi infiammabili, il calore e l’ossigeno dei nanofogli MXene e lo strato compatto di carbone formato durante la combustione giocano un ruolo chiave nel miglioramento del ritardo di fiamma del legno. L’elevata stabilità termica dei nanofogli MXene è un altro fattore vantaggioso. Sono stati proposti i meccanismi dettagliati di ritardante di fiamma e di autoriparazione.

Essendo un materiale da costruzione ecologico, rinnovabile e leggero, il legno ha sempre attirato l'attenzione della gente1,2,3,4,5. Tuttavia, la sua intrinseca elevata infiammabilità comporta rischi di incendio che tendono a causare ingenti perdite economiche e vittime6,7,8,9. Sono stati sviluppati vari metodi per migliorare la sicurezza antincendio del legno, tra cui il rivestimento ignifugo è la strategia più sorprendente in quanto potrebbe essere facilmente applicabile sul legno10,11,12,13. Ad esempio, Pedro et al. ha proposto un rivestimento ignifugo a base di lignina, tannini e nanoparticelle inorganiche, che ha ridotto significativamente la velocità di combustione lineare del 50% rispetto al legno puro14. Chu et al. hanno utilizzato estere fosfato-polietilenglicole come rivestimenti ignifughi per conferire al legno un eccellente ritardo di fiamma, diminuendo il tasso di rilascio del calore (HRR) e il rilascio di calore totale (THR) dell'82,4% e dell'84,3%15. Tuttavia, i materiali utilizzati non sono sufficientemente ecologici e il processo di preparazione del rivestimento ignifugo è piuttosto complicato in questi lavori, il che ne limita l’ampia applicazione, quindi è necessario un metodo di rivestimento ignifugo facile da lavorare.

Essendo un materiale ecologico e facile da preparare, l'idrogel, con un alto contenuto di acqua e caratteristiche non tossiche, si è dimostrato un candidato ideale per il rivestimento ignifugo16,17,18,19,20. Un alto contenuto di acqua significa che la maggior parte del calore può essere assorbita con l'evaporazione dell'acqua. Le caratteristiche non tossiche garantiscono l'assenza di sostanze volatili tossiche rilasciate durante la decomposizione. Questi due motivi rendono l'idrogel l'eccezionale materiale di rivestimento ignifugo. Hung et al. hanno sintetizzato una schiuma di poliuretano rigido (RPUF) ignifuga ecologica, resistente e altamente efficiente a base di idrogel a doppia rete poliacrilica-polidopamina mediante polimerizzazione UV21. Zhang et al. rivestimento biogel preparato autoriparante, riciclabile e degradabile ignifugo a base di gelatina tramite un metodo di agitazione in due fasi per edifici verdi22. Nel nostro lavoro precedente, abbiamo progettato un legno ignifugo a base di idrogel di alcol polivinilico/acido fitico (PVA/PA) ed esplorato l'effetto del PA sul ritardo di fiamma e sull'adesione nell'idrogel di PVA. Sebbene il rivestimento in idrogel possa conferire al legno proprietà ritardanti di fiamma, è necessario realizzare capacità di autoriparazione e un'elevata ritenzione d'acqua per gli obiettivi di un uso prolungato e una migliore capacità ritardante di fiamma.

Le proprietà di autoriparazione possono essere realizzate mediante approcci fisici e chimici tra cui diffusione e flusso, effetti di memoria di forma, sistemi eterogenei di autoriparazione, riformazione e rimescolamento di legami covalenti, interazione di legami idrogeno, azione di legami di coordinazione metallica e dinamiche della chimica supramolecolare o loro combinazioni23,24,25. Tra questi, il legame idrogeno è il metodo più semplice da realizzare. Come un tipico legame dinamico non covalente, l'importazione di legami idrogeno conferisce all'idrogel eccellenti proprietà di autoriparazione senza altre fonti e migliora la capacità di ritenzione idrica dell'idrogel26,27,28,29,30. MXene, un nanomateriale inorganico 2D con numerosi gruppi funzionali (–OH, –F e così via) terminalmente31,32,33,34,35, può formare molti legami idrogeno con PVA e PA e promuovere il grado di gelificazione del PVA come agente reticolante per migliorare le proprietà meccaniche dell'idrogel, che contribuisce notevolmente alle proprietà di auto-riparazione e di elevata ritenzione idrica36. Inoltre, l’elevata stabilità termica e la struttura a nanofogli di MXene possono migliorare ulteriormente il ritardo di fiamma dell’idrogel. Lin et al. aggiunto MXene nel rivestimento di idrogel di chitosano applicato su RPUF, ha ridotto significativamente l'HRR e il THR del 57,2% e del 65,5%37, dimostrando l'eccellente proprietà ignifuga di MXene.