一种镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料及其制备方法及应用与流程

本发明涉及木材复合材料技术领域，具体涉及一种镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料及其制备方法及应用。

背景技术：

木材作为一种与人类关系最密切、与环境发展最协调的一类重要材料，已经被广泛地应用于人类生活的方方面面，如建筑装修、室内外装饰、家具制造、包装材料等。然而，木材作为一种天然的有机高分子材料在接触明火后极易燃烧，这极大限制了木材的应用范围，特别是作为建筑材料在人口密集区域和高层建筑中的应用。据应急管理部统计，2018年全国共接报火灾23.7万起，亡1407人，伤798人，已统计直接财产损失36.75亿元。除了违反电气安装使用规定和生活用火不慎等重要诱因外，人们还关注到：引起火势蔓延而造成大量财产损失的重要原因是很多装修材料的防火性能不佳，如大部分家具都是木质的，一旦起火整个室内燃烧极快。因此，发展一种具有火灾预警和阻燃功能的绿色环保的新型复合材料显得尤为迫切。

传统的预警传感器如红外传感器，烟感传感器，温感传感器等容易受复杂的环境因素的干扰，不能达到及时有效的报警，错过了最佳的灭火和逃生时间。因此，想要减轻易燃物引起的火灾造成的损失，最简单有效的方法是在提高其阻燃性的同时赋予其快速的火灾预警能力。目前木材的火灾预警还缺乏研究。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料及其制备方法及应用，以赋予木材火灾预警和阻燃的功能。

第一方面，本发明提供的一种镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1：将木材浸入含有镁盐、铝盐和尿素的水溶液中，在低温水热条件下进行反应；

步骤s2：将经步骤s1处理后的木材于50℃条件下真空干燥12h，即可制得镁铝层状双氢氧化物修饰的木材；

步骤s3：将氧化石墨烯加入到水中，经过机械搅拌和超声处理后，即可制得氧化石墨烯悬浮液；

步骤s4：将经步骤s3获得的氧化石墨烯悬浮液逐滴滴注在经步骤s2处理后的木材表面，然后将木材置于50℃条件下干燥3h，重复步骤s4的操作3～6次，即可制得所述的镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料。

可选地，所述步骤s1中，所述镁盐为硝酸镁或氯化镁。

可选地，所述步骤s1中，所述铝盐为硝酸铝或氯化铝。

可选地，所述步骤s1中，所述镁盐的浓度为0.01～5mol/l，镁盐和铝盐的摩尔比为2:1。

可选地，所述步骤s1中，所述尿素的浓度为0.1～1.0mol/l。

可选地，所述步骤s1中，所述低温水热反应的温度为60～180℃，反应时间是12～24h。

可选地，所述步骤s3中氧化石墨烯悬浮液的浓度为1～3mg/ml。

可选地，所述步骤s3中，机械搅拌时间为1h，超声处理时间为30min。

第二方面，本发明提供的如所述的镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料的制备方法所制备的镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料。

第三方面，本发明提供的如所述的镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料的应用，所述镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料具有火灾预警和阻燃功能，可作为建筑材料应用于木结构建筑和高层建筑中。

本发明的有益效果：

1.本发明采用低温水热反应结合滴注法制备具有火灾预警和阻燃功能的复合木材，工艺简单，能耗低，材料结构稳定，同时实现了氧化石墨烯与无机金属的协同阻燃效果：无机金属层能吸收热量并释放不可燃气体，防止氧化石墨烯过热瞬间气化，有效延长了报警时间，燃烧后的氧化石墨烯变成导电的石墨烯为无机金属层隔绝了空气和火焰，协同防止火势蔓延。

2.本发明通过低温水热结合滴注法制备具有火灾预警和阻燃功能的木材，工艺简单。制得的火灾预警和阻燃功能木材在建筑、家装、装饰等领域具有重要的实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明实施例2所制备的镁铝层状双氢氧化物修饰的木材的放大20000倍的电镜图；

图2是本发明实施例1所制备的镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料的放大2200倍的电镜图；

图3是自组装的同时带有报警灯和蜂鸣器的火灾预警装置示意图；

图4a是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在火源刺激下t＝0s时的工作图；

图4b是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在火源刺激下t＝2s时的工作图；

图4c是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在火源刺激下t＝12s时的工作图；

图4d是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在火源刺激下t＝15s时的工作图；

图5a是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在200℃的热源刺激下的工作图；

图5b是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在300℃的热源刺激下的工作图；

图5c是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在393℃的热源刺激下的工作图；

图5d示出了在热源刺激试验中木材复合材料样品的夹持示意图；

图6是本发明实施例3制得的木材复合材料样品在火源刺激下的工作图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

镁铝层状双氢氧化物具有类水滑石的分层结构，是一种阻燃性能优异的无机阻燃剂。它在受热时会先释放出水和二氧化碳，起到吸收热量，隔绝可燃物与火焰、空气的作用，然后生成耐烧的混合金属氧化物，阻止火势进一步蔓延。在镁铝层状双氢氧化物外层的氧化石墨烯在高温条件下(300℃)热还原为导电的石墨烯，构筑电阻型火灾预警层。

实施例1

步骤s1：将杨木浸入含有0.06mol/l硝酸镁，0.03mol/l硝酸铝和0.5mol/l尿素的水溶液中，在低温120℃水热条件下反应24h；

步骤s2：将经步骤s1处理后的杨木置于50℃条件下真空干燥12h，即可制得镁铝层状双氢氧化物修饰的木材；

步骤s3：将60mg氧化石墨烯加入到30ml水中，经过1h的机械搅拌和30min的超声处理后，即可制得氧化石墨烯悬浮液；

步骤s4：将氧化石墨烯悬浮液逐滴滴在镁铝层状双氢氧化物修饰的木材表面，然后将木材置于50℃条件下干燥4h；该滴注-干燥过程重复3次，即可制得所述的镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料。

实施例2

步骤s1：将杨木浸入含有0.06mol/l硝酸镁，0.03mol/l硝酸铝和0.5mol/l尿素的水溶液中，在低温120℃水热条件下反应24h；

步骤s2：将经步骤s1处理后的杨木置于50℃条件下真空干燥12h，即可制得镁铝层状双氢氧化物修饰的木材。

实施例3

步骤s1：将杨木浸入含有0.06mol/l硝酸镁，0.03mol/l硝酸铝和0.5mol/l尿素的水溶液中，在低温120℃水热条件下反应24h；

步骤s2：将经步骤s1处理后的杨木置于50℃条件下真空干燥12h，即可制得镁铝层状双氢氧化物修饰的木材；

步骤s3：将60mg氧化石墨烯加入到30ml水中，经过1h的机械搅拌和30min的超声处理后，即可制得氧化石墨烯悬浮液；

步骤s4：将经步骤s2处理的木材及60mg盐酸多巴胺、36mg三羟甲基甲胺加入到经步骤s3处理的氧化石墨烯悬浮液中，在60℃水浴搅拌12h，然后将木材取出用清水冲洗干净后在50℃条件下烘干，得到以聚多巴胺为胶黏剂制备的镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料。

实施例4

步骤s1：将杨木浸入含有0.01mol/l氯化镁，0.005mol/l氯化铝和0.1mol/l尿素的水溶液中，在低温60℃水热条件下反应24h；

步骤s2：将经步骤s1处理后的杨木置于50℃条件下真空干燥12h，即可制得镁铝层状双氢氧化物修饰的木材；

步骤s3：将30mg氧化石墨烯加入到30ml水中，经过1h的机械搅拌和30min的超声处理后，即可制得氧化石墨烯悬浮液；

步骤s4：将氧化石墨烯悬浮液逐滴滴在镁铝层状双氢氧化物修饰的木材表面，然后将木材置于50℃条件下干燥4h；该滴注-干燥过程重复3次，即可制得所述的镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料。

实施例5

步骤s1：将杨木浸入含有5mol/l硝酸镁，2.5mol/l硝酸铝和1.0mol/l尿素的水溶液中，在低温180℃水热条件下反应12h；

步骤s2：将经步骤s1处理后的杨木置于50℃条件下真空干燥12h，即可制得镁铝层状双氢氧化物修饰的木材；

步骤s3：将90mg氧化石墨烯加入到30ml水中，经过1h的机械搅拌和30min的超声处理后，即可制得氧化石墨烯悬浮液；

步骤s4：将氧化石墨烯悬浮液逐滴滴在镁铝层状双氢氧化物修饰的木材表面，然后将木材置于50℃条件下干燥4h；该滴注-干燥过程重复3次，即可制得所述的镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料。

图1是本发明实施例2所制备的镁铝层状双氢氧化物修饰的木材的放大20000倍的电镜图。参见图1，镁铝层状双氢氧化物的纳米片和纳米球铺装在较为平整的木材细胞壁表面。

图2是本发明实施例1所制备的镁铝层状双氢氧化物/氧化石墨烯/木材基复合材料的放大2200倍的电镜图。参见图2，可见原本呈粉末状的氧化石墨烯经过处理后在木材表面形成了大幅面的片状层。

实施例6

本实施例提供对实施例1-3所制备的3个木材复合材料样品以及未经任何处理的杨木材进行火灾预警的实验。图3是自组装的同时带有报警灯和蜂鸣器的火灾预警装置示意图。将各实施例中的木材复合材料样品分别按图3进行安装。

以下实施例中所采用的木材复合材料样品的尺寸均为20×10×1mm。

一、对实施例1所制备的木材复合材料样品进行火源刺激。

将蜡烛火焰直接放在木材复合材料样品的正下方对其烘烤。

图4a是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在火源刺激下t＝0s时的工作图；图4b是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在火源刺激下t＝2s时的工作图；图4c是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在火源刺激下t＝12s时的工作图；图4d是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在火源刺激下t＝15s时的工作图。参见图4a，首先，在t＝0s时，开始对木材复合材料样品进行火源刺激，电流表读数为0a，小灯泡不亮，蜂鸣器未发出声音；参见图4b，然后，在t＝2s时，电流表读数为0.28a，小灯泡发出亮光，蜂鸣器发出警报声音，小灯泡和蜂鸣器能够在木材复合材料样品接触蜡烛火焰2秒内迅速反映火情；参见图4c，接着，在t＝12s时，电流表读数为0.28a，小灯泡发出亮光，蜂鸣器发出警报声音，此时经过长达12秒的燃烧后木材复合材料样品才开始着火，此时把火源移除；参见图4d，最后，在移除火源3秒后即t＝15s时火焰自动熄灭，木材未燃尽，但小灯泡仍发出亮光，蜂鸣器仍发出警报声音，通知人们火灾隐患。

二、对实施例2所制备的木材复合材料样品进行火源刺激。

将本实施例的木材复合材料样品无需搭建电路，直接采用蜡烛火焰测试，其起火时间为4s，燃尽时间为10s。

三、对实施例3所制备的木材复合材料样品进行火源刺激。

将蜡烛火焰直接放在木材复合材料样品的正下方对其烘烤。

图6是本发明实施例3制得的木材复合材料样品在火源刺激下的工作图。参见图6，首先，在t＝0s时，开始对木材复合材料样品进行火源刺激，电流表读数为0a，小灯泡不亮，蜂鸣器未发出声音；然后，在t＝6s时，电流表读数为0a，小灯泡不亮，蜂鸣器未发出声音，此时经过长达6秒的燃烧后木材复合材料样品才开始着火，此时把火源移除，火源移除后，木材在t＝12s时燃尽。

四、对未经任何处理的杨木样品进行火源刺激。

首先，在t＝0s时，开始对木材复合材料样品进行火源刺激，电流表读数为0a，小灯泡不亮，蜂鸣器未发出声音；然后，在t＝2s时，电流表读数为0a，小灯泡不亮，蜂鸣器未发出声音，此时经过2秒的燃烧后木材复合材料样品开始着火，此时把火源移除，火源移除后，木材在5s内燃尽。

五、对实施例1所制备的木材复合材料样品进行热源刺激。

图5d示出了在热源刺激试验中木材复合材料样品的夹持示意图。参见图5d，木材复合材料样品采用平行于加热板的夹持方式，能够使其受热更均匀。

图5a是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在200℃的热源刺激下的工作图；图5b是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在300℃的热源刺激下的工作图；图5c是本发明实施例1制得的木材复合材料样品在393℃的热源刺激下的工作图。参见图5a，首先将热源刺激温度设为200℃，当热源刺激温度达到200℃时，电流表读数为0a，小灯泡不亮，蜂鸣器未发出声音；参见图5b，接着将热源刺激温度设为300℃，当热源刺激温度达到300℃时，电流表读数为0.24a，小灯泡发出微弱的亮光，蜂鸣器发出警报声音；参见图5c，最后将热源刺激温度设为400℃，当热源刺激温度达到393℃时，小灯泡越发明亮，蜂鸣器发出刺耳的警报声。

综上所述，之所以对实施例1所制备的木材复合材料样品进行火源刺激试验中发生了预警，这主要归结于在木材表面形成了连续的氧化石墨烯层。氧化石墨烯作为一种无机非金属粉末很难通过水热、浸泡等常规方法将其平整地铺装在木材表面，虽然实施例3采用聚多巴胺这种很好的胶黏剂也很难将其连续地铺装在木材表面。由此可证明，滴注法不仅省时省力，效果也很好。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值并不限制本发明的范围。在这里示出和描述的所有示例中，除非另有规定，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。