摘要
据报道2021年，全国共发生火灾74.8万起，受伤2225人，死亡1987人，直接财产损失67.5亿元。在民用设备、工业设施以及医疗应用中常用的高分子材料如聚氨酯（PU）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和其他聚合物材料，大多是高度易燃的。因此，在日益严峻的消防形势下，制备具有阻燃性能的高分子材料愈加受到人们的重视。气凝胶是一种高度多孔的高分子材料，具有高达99%的孔隙率，低密度，高表面积。其中，聚酰亚胺（PI）、SiO2、陶瓷、碳、有机和金属氧化物等多种类型的气凝胶已经被广泛研究。但这些气凝胶缺乏柔韧性和可压缩性，机械性能较差，制备复杂，生产成本高，部分气凝胶本身还具有毒性对人体有害。因此目前的研究更倾向于使用生物资源（特别是纤维素）制造气凝胶。纤维素具有高抗拉强度、刚度和杨氏模量、低密度、热膨胀系数和毒性、良好的生物相容性和生物可降解性，是制备绿色、良好机械和隔热性能的气凝胶的理想原材料。并且纤维素固有的羟基有利于交联改性添加阻燃剂，赋予纤维素气凝胶阻燃这一新功能，拓展其实际应用范围。本论文研究针对以上问题，旨在开发具有实际应用价值的纤维素气凝胶。通过在纤维素基体中添加阻燃剂的方式制备了一系列阻燃纤维素气凝胶并详细研究了它们的理化特性、阻燃性能，此外还对于这些气凝胶的阻燃机理进行了分析。 具体研究内容及结果如下： （1）将纤维素（Cel），聚乙烯醇（PVA）及海藻酸钠（SA）通过物理冻融和金属交联的方法制备了一种环境友好的阻燃气凝胶。研究了海藻酸钠添加量对于所制备气凝胶阻燃性能的影响。结果表明，当海藻酸钠与纤维素-聚乙烯醇质量比为2:8时，所得纤维素复合气凝胶综合性能最佳。其压缩模量达到69.6 kPa，极限氧浓度值（LOI）增加到37.6%，总释热量（THR）降低至7.3 MJ?m-2，火灾指数（FIGRA）为4.66 kW?m2?s，导热系数为48.2 mW?m-1?K-1。燃烧实验证明添加海藻酸钠后的Cel-PVA复合气凝胶具有自熄灭能力，循环压缩及力学测试表明海藻酸钠的加入不仅未影响Cel-PVA复合气凝胶的压缩回弹性，而且提高了气凝胶的压缩模量和压缩强度。对Cel-PVA-SA气凝胶的阻燃机理的研究表明当气凝胶燃烧时产生CO2等不燃气体，稀释了可燃气体浓度，此外钙离子促进纤维素和海藻酸钠碳化形成碳层，即气相阻燃和凝聚相阻燃协同作用，实现了Cel-PVA-SA复合气凝胶阻燃性能的提升。 （2）采用磷取代的方式制备了一种磷掺杂的g-C3N4的阻燃剂（P-UCN），将P-UCN阻燃剂添加到纤维素溶液，通过环氧氯丙烷交联制备了纤维素-磷掺杂氮化碳气凝胶。通过红外光谱、能谱仪和X射线光电子能谱对阻燃气凝胶的化学结构、元素分布及元素价态进行表征，结果表明P-UCN阻燃剂在纤维素气凝胶中分布均匀。添加2 wt%1P-UCN阻燃剂时，气凝胶的LOI值达到了42.1%，总释烟量（TSP）为0.017 m2/m2，相较于纯纤维素气凝胶下降了 66.7%。同时，由于 PUCN 的加入对于气凝胶的机械性能也有所提升。Cel-P-UCN 气凝胶的阻燃性是通过在磷在燃烧过程中生成的多磷酸对于纤维素基体的表面碳化作用，以及石墨化氮化碳的隔热作用协同实现的。
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