基于羟基磷灰石超长纳米线功能性耐火纸的构建与应用研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:shi0206lei
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一维无机纳米材料因具有独特的光学、电子、磁性质,在晶体管、传感器、空气过滤、能量储存和转换、柔性电子器件等领域中得到广泛的应用。目前,大多数研究集中在单质或二元的一维无机纳米材料,对于三元或多元的一维无机纳米材料的报道较少,涉及的应用也不够广泛。羟基磷灰石(Ca10(PO46(OH)2)是脊椎动物硬组织骨骼和牙齿的主要无机成分。羟基磷灰石纳米材料具有优良的生物相容性、离子交换和吸附能力、热稳定性。本课题的研究目的是探索羟基磷灰石一维纳米材料在构建新型无机耐火纸中的优势。本论文的研究内容包括以下几个方面:(1)超疏水耐火纸的构建、性能与应用研究a.通过油酸钙溶剂热法制备羟基磷灰石超长纳米线,采用油酸钠对羟基磷灰石超长纳米线进行表面修饰,采用真空辅助抽滤法得到具有防水和防火性质的新型超疏水耐火纸。b.羟基磷灰石超长纳米线耐火纸的截面具有独特的层状结构。基于实验规律,提出了三个效应用于解释层状结构的形成过程,包括表面电荷增强效应、表面电荷重叠效应、以及类支柱支撑效应。c.测试了超疏水耐火纸的疏液性、自清洁能力、高温稳定性、机械稳定性;并探索了超疏水耐火纸在油水分离、防火阻燃保护层、防水防火书写纸等方面的应用。(2)新型柔性导电耐火纸的构建与应用研究羟基磷灰石超长纳米线作为基底材料负载科琴黑导电填料,经聚二甲基硅氧烷涂层化处理后,构建了一种新型柔性导电耐火纸。柔性导电耐火纸结合了超疏水表面、电热效应、防火阻燃三种性质,表现出优异的抗腐蚀性、抗湿性、高温稳定性、自清洁、除冰、以及在水下和火中工作的稳定性。(3)火灾自动报警耐火壁纸的构建与应用研究采用玻璃纤维增强的羟基磷灰石超长纳米线无机耐火纸作为基材、氧化石墨烯作为热敏传感器,构建了一种智能火灾自动报警耐火壁纸。新型火灾自动报警耐火壁纸在火灾中不仅能够发挥防火阻燃的作用,还会自动发出火灾警报。为了进一步提高氧化石墨烯热敏传感器在火焰中工作的稳定性,采用聚多巴胺对其进行修饰。聚多巴胺修饰的氧化石墨烯热敏传感器具有较低的热响应温度(126.9℃)、极短的响应时间(2 s)、较长的报警时长(>5 min)。(4)功能性有机/无机复合纸的构建与应用研究将无机的羟基磷灰石超长纳米线与有机材料进行复合,构建功能性有机/无机复合纸。a.植物纤维/羟基磷灰石超长纳米线复合纸。将其作为密写纸用于保护机密信息。当用白醋作为安全墨水在密写纸表面书写信息时,用肉眼无法辨别出字迹,达到信息加密的效果;解密过程仅需将密写纸放置在火焰中燃烧,密写纸上的信息就清晰可见了。b.金属有机框架纳米晶/羟基磷灰石超长纳米线检测试纸。通过模板导向层层自组装法在羟基磷灰石超长纳米线表面生长金属有机框架MIL-100(Fe)纳米晶,得到HAP@MIL-100(Fe)纳米纤维,将其作为基本单元构建快速检测试纸。将制备的快速检测试纸用于对H2O2和葡萄糖的定性检测时,检测试纸对不同浓度的H2O2和葡萄糖表现出不同程度的颜色变化。更为重要的是,将使用后的检测试纸在无水乙醇中浸泡30 min,即可回收重复使用,且检测效率没有显著下降。在本论文中,我们采用羟基磷灰石超长纳米线作为基本单元,构建了一系列功能性耐火纸。研究内容主要分为两个部分,其一是将羟基磷灰石超长纳米线耐火纸作为基材,提高柔性电子器件在高温和火焰环境中工作的稳定性;其二是将羟基磷灰石超长纳米线作为框架,与有机材料进行复合,综合各自的优势和功能,构建功能性有机/无机复合纸。研究结果表明了羟基磷灰石超长纳米线具有优异的柔韧性、表面修饰性、热稳定性、耐火性,是构建新型无机功能性纸张的理想材料。
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