一种同轴电缆结构的MXene包覆芳纶纤维、制备方法及其在涂层阻燃聚氨酯海绵中的应用

本发明涉及mxene包覆芳纶纤维制备领域，具体涉及一种同轴电缆结构的mxene包覆芳纶纤维、制备方法及其在涂层阻燃聚氨酯海绵中的应用。

背景技术：

1、聚氨酯海绵(fpu)在汽车和家居等领域具有广泛的应用，但其容易燃烧，由此引发的火灾给人民生命和财产安全造成了严重威胁。通过浸渍技术在fpu的三维骨架表面附着一层甚至多层阻燃涂层，能够有效改善fpu的阻燃性能，但是高的阻燃效率一般需要较大的涂层厚度和使用量，不仅会影响涂层与基体间的粘附力而且会破坏基材的综合性能。因此，设计并合成具有高阻燃效率的阻燃涂层是亟待解决的问题。而提高涂层在热解和燃烧过程中的成炭率，促进非晶炭向石墨化碳材料的转变，是提高材料火安全性的有效途径之一。

2、mxene纳米片因其表面多样化的官能团以及c-ti-o活性位点，在催化脱氢和催化成碳等领域备受青睐。中国发明专利zl202110821947.9采用模板法构筑了mxene包覆带正电荷的聚苯乙烯(cps)核壳结构纳米微球(cps@mxene)，利用壳体mxene的空间限域效应调控cps的热解历程并促使热解产物在低温(<500℃)下转化为石墨化碳材料碳量子点(cqds)。该策略在降低聚合物碳化温度以及催化成炭阻燃聚合物领域具有潜在的应用前景。

3、芳纶纤维具有力学性能优异、耐高温和阻燃等特点，广泛应用于航空航天、军工国防、安全防护等领域。但是因其表面活性官能团少，有很大的惰性，在实际使用过程中，常存在难分散、与基体界面结合强度弱等缺陷，严重影响复合材料性能的提升。目前常采用等离子体处理的物理方法和通表面接枝等化学方法对其表面进行处理。多巴胺(da)能够通过化学反应自聚生成聚多巴胺(pda)，因其具有优良的粘附性，几乎可以在任何纤维表面形成均匀的纳米薄膜，不仅能够增大纤维的外表面积而且能够提高纤维的粘结能力。与此同时，pda所含的-nh2和-oh等基团，可以和mxene等纳米材料表面的活性基团形成氢键相互作用。

4、然而，目前关于通过pda将mxene纳米片层“桥接”在anf表面制备具有同轴电缆结构的anf@mxene纳米纤维，并采用浸渍法在fpu表面构筑阻燃涂层，从而利用其在热解和燃烧过程中形成的空心管状结构mxene的限域催化作用，促进炭层甚至于石墨化碳的生成以提高fpu火安全性的研究却鲜有报道。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种同轴电缆结构的mxene包覆芳纶纤维、制备方法及其在涂层阻燃聚氨酯海绵中的应用。本发明以质子化水系anf纤维为基体，以pda为表面处理剂，通过氢键作用将mxene包覆在anf表面形成anf@mxene同轴电缆结构。同时，采用浸渍法将anf@mxene附着在fpu表面形成阻燃涂层。anf@mxene在热解和燃烧过程中形成的空心管状结构mxene具有限域催化作用，能够促进炭层和石墨化碳的生成，进而在fpu表面形成高热稳定性的阻隔层以显著提升fpu的火安全性。

2、另外，本发明还提供了一种同轴电缆结构的mxene包覆芳纶纤维的制备方法。采用质子化制备anf水分散液，通过多巴胺(da)自聚在anf表面生成聚多巴胺(pda)纳米薄层(pda-anf)对纤维进行表面功能化，利用pda与mxene之间的氢键作用使mxene纳米片层“桥接”后包覆在anf表面生成mxene包覆芳纶纤维(anf@mxene)。

3、作为本发明的优选技术方案，制备方法中：

4、质子化制备anf水分散液的方法为：将聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(ppta)、氢氧化钾(koh)、二甲基亚砜(dmso)和去离子水混合，搅拌质子化，通过抽滤洗涤去除多余的koh和dmso至ph＝7后，再加入去离子水高速分散得到anf水分散液。具体的，称取1g ppta和1.5gkoh加入到三颈烧瓶中，依次加入480ml dmso和20ml去离子水，机械搅拌2～4h得到浓度为2mg/ml的anf/dmso分散液；取100ml的anf/dmso分散液于三颈烧瓶中，加入200ml的去离子水机械搅拌2～4h；通过有机系微孔滤膜用无水乙醇和去离子水交替抽滤洗涤去除多余的koh和dmso至ph＝7；将产物用去离子水再分散1～2min后，得到浓度为1mg/ml的anf水分散液。

5、pda-anf分散液的制备方法为：将anf水分散液、tris-盐酸溶液和da溶液混合，搅拌反应得到pda-anf分散液，其中da与anf的质量比为3:97～7:93。具体的，量取100ml浓度为1mg/ml的anf水分散液于三颈烧瓶中，依次加入200ml的tris-盐酸溶液和1.5～3.5ml浓度为2mg/ml的da溶液，在水浴60～70℃的条件下机械搅拌10～15h后，通过水系微孔滤膜抽滤洗涤去除多余的tris-盐酸溶液至ph＝7；将产物用去离子水再分散后，得到浓度为1mg/ml的pda-anf分散液。

6、mxene纳米片层分散液采用化学刻蚀法制备：向浓盐酸中加入氟化锂，利用反应生成的氢氟酸刻蚀碳铝钛，将产物用去离子水反复离心洗涤至中性后，收集沉淀物；向沉淀物中加入去离子水，经超声得到墨绿色分散液；离心分离分散液，取上清液，得到含单层和/或多层的mxene纳米片层分散液。具体的，称取碳铝钛和氟化锂粉末各0.3～0.6g加入到50ml离心管中，依次加入2～4ml去离子水和6～8ml浓盐酸，保鲜膜封住离心管口后扎孔，20～60rpm磁力搅拌40～60h，离心清洗至ph为7，取100～120ml去离子水溶解沉淀物，在10～20℃下超声分散40～60min，3000～5000rpm离心4～8min取上清液，获得浓度为3～5mg/ml的mxene纳米片层分散液。

7、anf@mxene分散液的制备方法：将pda-anf分散液与mxene纳米片层分散液，搅拌得到anf@mxene分散液，其中pda-anf与mxene的质量比为1:0.25～1。具体的，量取100ml浓度为1mg/ml的pda-anf分散液于烧杯中，加入5～33ml浓度为3～5mg/ml的mxene纳米片层分散液，磁力搅拌3h后得到浓度为1.2～1.7mg/ml的anf@mxene分散液。

8、另外，本发明还提供了anf@mxene分散液在阻燃领域中的应用。将聚氨酯海绵(fpu)浸渍在浓度为1.2～1.7mg/ml的anf@mxene分散液中5～10min，取出后在55～65℃烘箱中放置11～15h烘干，得到anf@mxene涂层阻燃fpu复合材料(fpu/anf@mxene)。制备的fpu/anf@mxene复合材料燃烧后在炭层中获得直径为208.4±9.0nm的空心管状mxene，以及粒径为4～15nm的碳量子点。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

10、本发明通过自组装将mxene包覆在anf表面形成同轴电缆结构anf@mxene，并通过浸渍技术将其附着在fpu表面构筑成阻燃涂层，能够利用anf@mxene在热解和燃烧过程中形成的空心管状结构mxene的限域催化作用，促进炭层和石墨化碳的生成，从而降低涂层的厚度和使用量并显著提高fpu的火安全性，在阻燃聚合物领域具有广阔的应用前景。