本發(fā)明屬于生物質(zhì)高分子納米復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及一種基于mxene-海鞘纖維素納米晶的復(fù)合薄膜及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、mxene是一類新型的二維結(jié)構(gòu)過渡金屬碳/氮化物，作為納米屏障，能有效隔絕熱量和氧氣傳遞，經(jīng)高溫氧化產(chǎn)生二氧化鈦，催化基體脫水成炭，形成致密炭層以減少熱量和氧氣交換。一般表示為mn+1xntx，其中m和x與母相中的元素相同，tx代表表面終止基團，比如-oh、-o、-f等。其中ti3c2tx作為最具代表性的mxene材料，由于其出色的導(dǎo)電性能和熱電效應(yīng)，現(xiàn)以被用于火災(zāi)報警傳感器領(lǐng)域。迄今為止，已經(jīng)設(shè)計了各種類型的基于mxene的火災(zāi)報警傳感器，包括氣凝膠、復(fù)合薄膜等。除了mxene固有的阻燃特性外，這些火災(zāi)報警傳感器還具有靈敏的響應(yīng)性和循環(huán)預(yù)警能力等。但是，作為2d納米材料，mxene單獨使用時片層之間的范德華力會迫使其緊密排列導(dǎo)致片層之間的聚集，極大的限制其優(yōu)異性能的發(fā)揮。此外，純mxene火災(zāi)報警傳感器由于力學(xué)性能差，在燃燒過程中傳感器易被破壞，從而造成傳感器材料響應(yīng)穩(wěn)定性、持續(xù)性較差等問題，從而限制了mxene火災(zāi)報警傳感材料的發(fā)展前景。

2、纖維素是自然界最豐富的生物聚合物之一，由于其具有可持續(xù)性、可生物降解和低成本等特點，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。且纖維素納米晶體作為生物基碳源，能進一步提高成炭能力以降低熱量和氧氣傳遞，發(fā)揮阻燃作用。在眾多不同類型的纖維素中，海鞘纖維素納米晶(tcnc)具有優(yōu)異的長徑比、良好的機械性以及豐富的表面官能團。其優(yōu)秀的長徑比不僅可以發(fā)揮隔離作用減少mxene納米片間的自聚集，而且炭化后可提供導(dǎo)電通路。app阻燃劑是現(xiàn)代木業(yè)行業(yè)中常常合適到的一類輔料產(chǎn)品，實際上就是聚磷酸銨；用作添加型阻燃劑，受熱分解時生成氨及非常穩(wěn)定的聚合磷酸，可成為高分子聚合物的保護層而將氧隔絕而起到阻燃的作用，也可與其他阻燃劑復(fù)合使用。app阻燃劑作為一種傳統(tǒng)的膨脹性阻燃劑，可提供酸源和氣源，具有自由基清除作用和催化成碳的能力，可以加速tcnc成炭過程。因此，有望將app阻燃劑和tcnc引入mxene構(gòu)建機械性能和穩(wěn)定性較好的mxene基火災(zāi)報警傳感材料產(chǎn)品。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明為了解決純mxene火災(zāi)報警傳感器由于力學(xué)性能差，在燃燒過程中傳感器易被破壞，從而造成傳感器材料響應(yīng)穩(wěn)定性、持續(xù)性較差，限制mxene火災(zāi)報警傳感材料發(fā)展前景的問題，提供一種基于mxene-海鞘纖維素納米晶的復(fù)合薄膜及其制備方法和應(yīng)用，將mxene與1d?tcnc雜化結(jié)合，以起到協(xié)同分散作用，進一步在mxene-tcnc體系中加入了app阻燃劑，通過真空輔助過濾的方法構(gòu)建了具有良好分散性、力學(xué)性和阻燃性能的復(fù)合薄膜材料，并且將mx-tcnc-app復(fù)合薄膜用于對阻燃和機械性能要求更高的火災(zāi)報警傳感器領(lǐng)域。

2、為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于mxene-海鞘纖維素納米晶的復(fù)合薄膜的制備方法，包括如下步驟：

4、s1、制備mxene-tcnc雜化納米材料：分別配制4～6mg/ml的海鞘纖維素納米晶(tcnc)溶液和mxene溶液，將mxene溶液和tcnc溶液按照添加質(zhì)量比為1:1～5加入到盛有去離子水的容器中，tcnc和mxene在混合溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5～2％，得到mxene-tcnc雜化納米材料混合液；

5、s2、制備火災(zāi)報警傳感材料：在步驟s1制備的混合液中加入與混合溶液質(zhì)量比為1～4:10的app阻燃劑，將混合物在冰浴環(huán)境下超聲處理15min以確保充分混合，然后在室溫下磁力攪拌4h得到均勻分散的mxene-tcnc-app混合液；將上述混合溶液通過真空輔助過濾的方式制備mx-tcnc-app復(fù)合薄膜，該薄膜具有優(yōu)異機械性能和阻燃性能可用作火災(zāi)報警傳感應(yīng)用。

6、進一步，步驟s1中海鞘纖維素納米晶的生物質(zhì)來源海鞘為可分泌纖維素的海洋動物，其制備方法為無機酸水解結(jié)合機械處理，得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4～6mg/ml的海鞘纖維素納米晶，調(diào)節(jié)ph值至7～7.5。

7、進一步，步驟s2中真空輔助過濾制備mx-tcnc-app復(fù)合薄膜具體為：以孔徑為0.22μm的混合纖維素膜為濾膜，將加入app阻燃劑的mxene-tcnc混合液倒入濾瓶中，待抽干后取出濾膜置于40℃真空烘箱中干燥4h，剝離濾膜后得到復(fù)合薄膜。

8、進一步，步驟s2中混合物在冰浴環(huán)境下超聲功率為50-100w，有利于形成誘導(dǎo)tcnc一維棒狀端進入mxene層間空間的“針尖撬動”效應(yīng)。

9、進一步，步驟s2中真空輔助過濾為一次真空輔助過濾制得復(fù)合薄膜。

10、根據(jù)上述基于mxene-海鞘纖維素納米晶的復(fù)合薄膜制備方法制備得到的基于mxene-海鞘纖維素納米晶的復(fù)合薄膜產(chǎn)品。

11、上述基于mxene-海鞘纖維素納米晶的復(fù)合薄膜產(chǎn)品在火災(zāi)預(yù)警中的應(yīng)用。

12、本發(fā)明的有益效果在于：

13、1、本發(fā)明所公開的基于mxene-海鞘纖維素納米晶的復(fù)合薄膜的制備方法，通過簡單溶液共混和真空輔助過濾的方法制備了基于mx-tcnc-app復(fù)合薄膜的火災(zāi)報警傳感材料。混合物在冰浴環(huán)境下超聲共混能夠誘導(dǎo)形成tcnc一維棒狀端進入mxene層間空間的“針尖撬動”效應(yīng)。mx-tcnc-app復(fù)合薄膜中各組分均勻分布，無明顯聚集現(xiàn)象。1d/2d之間的協(xié)同作用極大提高了復(fù)合薄膜的機械性能，隨著app阻燃劑含量增加，mx-tcnc-app復(fù)合薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率分別達到了52.5mpa和7.6％。

14、2、本發(fā)明所公開的基于mxene-海鞘纖維素納米晶的復(fù)合薄膜的制備方法中，由于app-tcnc的膨脹阻燃作用，mx-tcnc-app復(fù)合薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性能，即使經(jīng)過60s的酒精燈燃燒測試，結(jié)構(gòu)仍保持完整。mx-tcnc-app復(fù)合薄膜具有靈敏且持續(xù)性的火災(zāi)報警響應(yīng)，所有樣品都能在5s內(nèi)觸發(fā)火災(zāi)報警信號，并且隨著復(fù)合薄膜中app含量的增加持續(xù)響應(yīng)時間增加，其中mx-tcnc-app達到442s。

15、3、本發(fā)明所公開的基于mxene-海鞘纖維素納米晶的復(fù)合薄膜的制備方法中，包括以下步驟：(1)雜化納米材料的制備，考慮到雜化的尺寸匹配，本發(fā)明選用高長徑比的tcnc與mxene雜化結(jié)合以增強隔離效果減少mxene的自聚集，同時高結(jié)晶度的tcnc是優(yōu)秀的碳源，炭化后可提供導(dǎo)電通路。(2)火災(zāi)報警傳感材料的制備，本發(fā)明在mxene-tcnc體系中加入了多聚磷酸銨(app)，通過真空輔助過濾的方法制備了具有良好分散性、力學(xué)性和阻燃性能的薄膜材料。由于導(dǎo)電的mxene薄片被app和tcnc隔離覆蓋，室溫下mx-tc-app薄膜處于電絕緣狀態(tài)。當(dāng)薄膜在受到火焰攻擊時，在app的催化作用下tcnc迅速炭化并與mxene薄片連接，從而能快速地形成導(dǎo)電通路。這些特性使得mx-tc-app薄膜在火災(zāi)報警傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)出極具潛力的應(yīng)用前景。

16、本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。