대부분의 폴리머는 높은 인화성과 열악한 분해성을 나타내어 응용 분야를 제한하고 "백색 오염"과 같은 심각한 환경 문제를 일으킵니다. 따라서, TNT(티타네이트 나노튜브)를 채택하여 손쉬운 용액 방법으로 산화 그래핀(GO)을 장식하여 유연한 PVC(폴리염화비닐)의 난연성 및 광분해성을 개선할 수 있는 잠재력을 가진 TNT/GO 나노복합체를 제공했습니다. 결과는 준비된 TNT/GO가 TNT 및 GO보다 열 안정성과 난연성을 효과적으로 개선할 수 있음을 보여줍니다. 특히 최대 열 방출 속도와 총 열 방출은 2.5wt.% 로딩으로 20% 및 29% 감소했습니다. 또한 TNT/GO는 순수 PVC에 비해 PVC의 광분해성을 향상시킵니다. 그 이유는 TNT와 GO 사이의 상승적인 난연성 및 광촉매 효과에 기인할 수 있습니다. 본 연구는 원하는 난연성과 광분해성을 갖는 고분자-기질 복합 재료를 구성하는 실현 가능한 경로를 마련하는 데 기여할 수 있으며, 이로써 고분자로 인한 백색 오염의 제거에 추가할 수 있습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">고분자계 소재는 낮은 중량 대비 강도비, 상대적으로 저렴한 비용, 우수한 물리적, 화학적 안정성 등의 우수한 특성으로 인해 우리 일상 생활 및 많은 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 대부분의 폴리머는 가연성이며 유기적 특성으로 인해 인명과 재산에 잠재적 위험을 초래할 수 있습니다[1,2,3,4]. 한편, 그들은 일반적으로 화학적 불활성 및 비 생분해성을 나타내므로 토양과 물을 오염시키는 심각한 백색 오염을 생성합니다 [5,6,7,8]. 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구자들이 난연성을 향상시키고 고분자의 폐기물 오염을 줄이기 위해 새로운 난연제를 만들기 위해 노력하고 있습니다.
폴리머의 가연성을 극복하기 위해 연구자들은 지난 수십 년 동안 다양한 전략을 탐구했습니다[9]. 나노 충전재의 도입은 고분자 매트릭스의 난연성 개선에 효과적이며, 무독성 및 환경 친화적인 난연성 첨가제는 사람들의 환경 관심에 대응하는 데 특별한 의미가 있음이 밝혀졌습니다. 다양한 무독성 및 환경 친화적 인 첨가제 중 그래 핀 기반 재료는 층 구조와 높은 비표면적을 갖는 그래 핀 및 그래 핀 옥사이드 (GO)가 열 방출을 억제하고 연소 가스의 접촉을 방지하는 장벽 역할을 할 수 있기 때문에 잠재적으로 매력적입니다. 화염으로 [10,11,12]. 특히, 중요한 보조제인 그래핀 또는 GO는 무기 나노물질과 결합하여 유망한 난연제 후보를 제공할 수 있다[13,14,15]. 이는 2개 이상의 구성요소의 조합이 종종 시너지 효과를 나타내거나 다른 난연 모델을 통합할 수 있다는 사실에 기인하며, 이에 따라 복합재의 특성에서 예상치 못한 향상을 제공합니다. 예를 들어, Ce-MnO2와 같은 무기 나노 필러, 금속 또는 금속 유도체 기반 나노 물질 [16], TiO2 [17, 18], MoS2 [19], 층상 이중 수산화물 [20] 및 ZnSn(OH)6 [21] 그래핀과 쉽게 결합하여 그래핀 기반 난연제를 제공할 수 있습니다.
위에서 언급한 시너지 전략은 폴리머의 난연성을 개선하는 데 의미가 있습니다. 그러나 폴리머의 백색 오염이 동시에 감소되거나 제거되지 않는 한 엔지니어링에서는 여전히 불가능합니다. 폴리머 덮개 매립 및 소각의 백색 오염을 처리하는 현재 사용 가능한 경로. 그럼에도 불구하고 매립 및 소각은 매립에 의한 토양 및 수질 오염은 물론 소각 중 유독가스 방출과 같은 심각한 2차 오염을 유발할 수 있다. 다행히도 이러한 병목 현상은 효율적이고 환경적으로 허용되는 방식으로 폐 폴리머를 광분해하기 위해 햇빛을 가함으로써 극복할 수 있습니다[5]. 예:TiO2 중요한 고체상 광촉매인 폴리스티렌에 결합하여 폴리스티렌-TiO2를 얻을 수 있습니다. 공기 중 자외선(UV) 조명 하에서 광촉매적으로 효율적으로 분해될 수 있는 나노복합 필름[22, 23]. 비타민 C(VC) 변형 TiO2 광분해성 폴리스티렌-TiO2를 부여할 수 있습니다. Ti IV 의 형성에 기인하는 높은 광분해 효율을 갖는 나노복합 필름 – 빠르게 광 생성된 전하의 분리를 연장할 수 있는 5원 킬레이트 고리 구조를 가진 VC 전하 이동 복합체 [24].
따라서 본 연구에서는 전자산업, 가정용 전기전자산업 분야에서 널리 사용되는 열가소성 수지인 Flexible polyvinyl chloride(PVC)의 난연성과 광분해성을 동시에 향상시키기 위해 적절한 난연성 첨가제와 광분해성 첨가제를 조합하고자 한다. 가전 제품 및 건축 자재. 우리는 GO와 결합된 TNT가 원하는 난연 특성과 폴리머에 대한 광촉매 활성을 가질 수 있기 때문에 상대적으로 작은 비표면적을 갖는 티타니아 나노입자보다는 1차원 티타네이트 나노튜브(TNT)에 특별한 주의를 기울입니다[17, 24]. 이러한 조합 전략은 TNT가 탄화를 촉매하고 가연성 가스의 방출에 저항하고 분해 경로를 변경하는 효과적인 장벽으로 작용하는 네트워크 구조를 형성할 수 있기 때문에 실현 가능할 수 있습니다[25, 26]. 한편, 라디칼 흡착 효과가 있는 TNT는 우수한 연기 억제 능력과 로다민 B 또는 폐수 처리에 대한 우수한 광촉매 활성을 나타냅니다. 이 기사는 손쉬운 용액 반응 경로에 의한 TNT 장식 그래핀 산화물 나노복합체(TNTs/GO)의 제조를 보고합니다. 또한 TNT/GO-PVC 합성물의 난연성 및 광분해를 다루며 동시에 난연성을 개선하고 폴리머의 백색 오염을 줄이는 전략에 중점을 둡니다.
PVC(사출 성형용)는 Tianjin Botian Chemical Company Limited(Tianjin, China)에서 구입했습니다. 상업적인 나트륨 티타네이트 나노튜브(NaTA)는 나노물질을 위한 엔지니어링 기술 연구 센터(Jiyuan, 중국)에 의해 공급되었습니다. 흑연 분말(스펙트럼적으로 순수한)은 Sinopharm Chemical Reagent Company Limited(중국 상하이)에서 구입했습니다. 에탄올(C2 H5 OH)는 Anhui Ante Food Company Limited(중국 쑤저우)에서 구입했습니다. 시약 등급 농축 황산(98%), 30% H2 O2 용액, 염산 및 1,2-에탄디아민(C2 H4 (NH2 )2 ) Tianjin Kermel Chemical Reagent Company(Tianjin, China)에서 제공했습니다. 우리 연구실에서 탈이온수를 준비했습니다. 모든 시약은 추가 정제 없이 받은 그대로 사용되었습니다.
GO 나노시트는 Hummers와 Offeman이 보고한 방법을 통해 정제된 천연 흑연으로부터 제조되었습니다[27, 28]. TNTs/GO 나노 필러는 간단하고 실용적인 솔루션 방법으로 제조되었습니다. 일반적인 절차에서 1.5g의 NaTA를 150mL의 H2에 첨가했습니다. 초음파 처리의 도움으로 약한 교반 하에 O를 넣고 염산을 사용하여 용액의 pH를 1.6으로 조정했습니다. 30분 동안 교반한 후, 제조된 그대로의 GO 0.1g을 용액에 첨가하고 1시간 동안 초음파 처리하여 균일한 현탁액을 얻었다. 현탁액을 250mL 플라스크로 옮기고 70°C에서 5시간 동안 유지했습니다. 반응이 완료되면 침전물을 여과하여 수집하고 증류수와 에틸알코올로 여러 번 세척하여 잔여 불순물을 제거하였다. 얻어진 침전물을 60°C에서 18시간 동안 건조하여 TNT/GO 나노 충전재를 제공했습니다.
다른 함량의 TNT/GO 나노 충전재로 채워진 TNT/GO-PVC 복합재는 우리의 이전 연구에서 보고된 방법으로 준비되었습니다[29]. PVC 0.5, PVC 1.5, PVC 2.5 및 PVC 3.5(질량 분율, 이하 설명을 제외하고 동일)로 표시된 일련의 PVC 복합재를 TNT/GO의 다른 투여량을 포함하는 것을 제외하고는 동일한 방식으로 제조하였다. 또한, 비교 연구를 위해 동일한 조건에서 TNT와 GO(TNTs-PVC 및 GO-PVC)가 2.5% 함유된 PVC 복합재도 준비했습니다.
PVC 분말(39g)을 2시간의 초음파 진동하에 30mL의 테트라하이드로퓨란에 현탁했습니다. 그런 다음, TNTs/GO(1g)를 24시간 동안 지속적으로 격렬하게 교반하면서 현탁액에 용해시켰다. 교반이 완료되면 혼합물을 유리판에 펴고 밀폐된 진공 용기에서 72시간 동안 건조하여 TNT/GO-PVC 필름을 얻었다.
X선 분말 회절(XRD) 패턴은 X' Pert Pro 회절계(Cu K α 방사선; λ =0.15418nm, 작동 전압 40kV, 전류 40mA). JEM-2010 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 다양한 제품의 형태와 미세구조를 관찰하였다. X선 광전자 분광기(XPS) 분석은 Al Kα 여기 방사선(hv =1486.6 eV)을 사용하여 Axis Ultra 다기능 X선 광전자 분광계에서 수행되었습니다. 라만 스펙트럼은 532nm의 레이저 여기광인 Renishaw inVia 분광계의 기록기입니다. 열중량 분석(TGA) 및 시차 열 분석(DTA)은 10°C/min의 스캔 속도로 DSC6200 열 분석기로 수행되었습니다. JF-3 산소 지수 측정기를 사용하여 100 × 6.5 × 3 mm 3 크기의 시편의 LOI 값을 측정했습니다. . WDW-10D 마이크로컴퓨터 제어 전자 만능 시험기(Jinan Test Machine Company Limited; Jinan, China)는 PVC-매트릭스 복합 재료의 인장 강도를 결정하기 위해 수행되었습니다. Cone calorimeter(Fire Testing Technology, UK) 테스트는 ISO5660에 설명된 절차에 따라 수행되었습니다. 100 × 100 × 3 mm 3 치수의 각 표본 35kW/m 2 에 노출되었습니다. 열유속. Nova Nano SEM 450 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 PVC 매트릭스 내 첨가제의 분산 상태와 잔류 탄화물의 지형을 관찰하였다. UV 가속 내후성 시험기(UV-II, Shanghai Pushen Chemical Machinery Co. Ltd., Shanghai, China)는 45°에서 직사각형 PVC-매트릭스 나노복합 필름(크기 7.5cm × 15cm)의 광촉매 분해 거동을 평가하기 위해 실행되었습니다. C 및 40% 습도.
그림 1a는 GO, NaTA 및 TNT/GO 나노 필러의 XRD 패턴을 보여줍니다. GO는 2θ에서 주요 (001) 회절 피크를 가집니다. =10.3°이고 0.84nm의 면간 간격에 해당합니다[30]. 이것은 흑연이 산화되어 시트로 완전히 박리되었음을 의미합니다. NaTA의 회절 피크는 Na2 − x로 잘 인덱싱될 수 있습니다. H x Ti2 O5 ·H2 O, 다른 곳에서 보고된 바와 같이 [31]. TNT/GO 나노복합체의 회절 패턴은 NaTA의 회절 패턴과 유사합니다. 그러나 28°에서 TNT/GO 나노복합체의 피크 강도는 NaTA보다 낮으며, 이는 나노복합체 제조 동안 TNT를 생성하는 NaTA의 결정 구조의 점진적인 변형에 기인할 수 있습니다[32]. 즉, Na + 의 대체 H + 이 과정에서 티타네이트의 Na:H 비율이 감소합니다[31]. 더욱이, TNT/GO 나노복합체는 GO의 다른 상의 신호를 나타내지 않는데, 이는 TNT가 GO 층에 삽입되어 GO의 박리를 향상시키기 때문일 수 있다[33]. 이러한 XRD 데이터는 TNT가 GO 나노시트에 부착되어 합성된 GO의 응집 및 재적층을 방지하는 데 기여함을 보여줍니다.
<그림>
XRD 패턴 a 및 라만 패턴 b GO, NaTA 및 TNT/GO 나노복합체. XRD 패턴은 GO가 시트로 박리되었음을 나타냅니다. 라만 패턴은 GO의 존재를 추가로 확인하고 TNT가 TNT/GO 나노복합체를 제공하기 위해 GO 나노시트에 성공적으로 통합되었음을 입증했습니다.
라만 산란 스펙트럼은 준비된 탄소 재료의 구조 변화를 조사하기 위해 기록되었습니다. 그림 1b는 GO, NaTA 및 TNT/GO 나노복합체의 라만 스펙트럼을 보여줍니다. GO 및 TNT/GO 나노복합체는 약 1588cm −1 에서 GO의 두 가지 일반적인 피크를 나타냅니다. (G 밴드, sp 2 의 면내 진동에서 파생됨 -결합된 탄소 원자) 및 1338cm의 피크 −1 (D 밴드, sp 3 탄소 원자의 진동과 관련됨 무질서한 그래핀의 전자 구성.) [34]. 또한, D 밴드 대 G 밴드의 피크 강도 비율(I D /나 G )는 GO의 경우 1.2이지만 TNT/GO 나노복합물의 경우 1.6이며, 이는 TNT가 GO 나노시트에 성공적으로 통합되어 Ti-C 및 Ti-OC 결합의 형성과 GO의 환원을 통해 TNT/GO 나노복합체를 제공함을 증명합니다. FTIR 데이터에서 관찰됩니다(추가 파일 1:그림 S1 참조) [35, 36]. 더욱이, GO의 우세한 라만 피크를 제외하고, TNT/GO 나노복합체는 NaTA의 특징적인 피크를 나타내며, 이는 추가로 TNT가 관련 XRD에 잘 부합하는 GO 나노시트에 성공적으로 통합되었음을 나타냅니다.
그림 2는 GO 및 TNT/GO 나노복합체의 TEM 형태와 미세구조를 보여줍니다. GO 나노시트는 높은 비면적과 표면 에너지로 인해 층상 구조와 전형적인 구겨진 형태를 나타냅니다(그림 2a). 그리고 GO 시트는 약 1-2개의 레이어 스택입니다(추가 파일 1:그림 S2 참조). 그러나 TNTs/GO 나노복합체의 표면은 비교적 평활하고 눈에 띄지 않고 약간의 주름을 포함하고 있으며, 순수 GO에 비해 GO의 응집 및 재적층을 효과적으로 방지하는 것으로 보인다(Fig. 2b). 이것은 TNT의 통합이 GO 나노시트의 응집 및 재적층을 잘 방지할 수 있음을 의미합니다.
<그림>
a의 TEM 이미지 이동 및 b TNT/GO 나노복합체. GO 나노시트는 층상 구조와 전형적인 구겨진 형태를 나타내는 반면, TNT/GO 나노복합체의 표면은 비교적 매끄럽고 눈에 띄지 않고 약간의 주름이 포함되어 있어 TNT의 통합이 GO의 응집 및 재적층을 잘 방지할 수 있음을 의미합니다. 나노시트
TNT/GO 나노복합체에서 GO와 TNT 사이의 상호작용을 추가로 설명하기 위해 XPS 측정을 수행했습니다. 그림 3과 같이 GO의 C1s XPS 스펙트럼은 sp 2 -결합된 탄소(C–C, C=C, 284.7 eV), 에폭시/히드록실(C–O, 286.9 eV) 및 카르복실(C(O)O, 288.5 eV) [37]. 284.7eV의 C1s 피크는 2D 탄소 구조의 존재를 증명하고 286.9eV 및 288.5eV의 C1s 피크는 산소 함유 작용기의 높은 비율을 나타냅니다. 합성 과정에서 GO 및 TNTs/GO의 산소 함유 그룹이 변경되었음을 관찰할 수 있습니다. 산소 함유기의 변화를 정량적으로 확인하고 비교하기 위해 총 탄소 결합에 대한 산소 함유기의 피크 면적비를 계산하였다. 표 1에 나열된 대로(참고:A =A 참조 + A CO + A C(O) + A TiC ), TNTs/GO의 CO 결합 비율은 GO보다 현저히 낮으며, sp 비율 2 -결합 탄소는 GO의 46.25%에서 TNT/GO 나노복합체의 63.13%로 증가합니다. 이는 TNT/GO 나노복합체의 형성 동안 GO가 부분적으로 환원되고 대부분의 산소 함유 그룹이 GO에서 제거된다는 것을 나타내며, 이는 관련 라만 데이터(I D /나 G GO의 비율은 TNT/GO 나노복합체의 비율보다 작습니다. 그 이유는 TNT가 UV 또는 가시광 광촉매 공정에서 GO를 그래핀으로 환원할 수 있기 때문일 수 있습니다[38, 39]. 더욱이, TNTs/GO 나노복합체는 283.2 eV에서 약한 C1s 피크를 나타내며, 이 피크는 Ti-C 결합에 할당됩니다(460.4 및 465.9 eV에서 Ti(2p3/2) 및 Ti(2p1/3) 피크가 나타남) [36 ].
<그림>
아 –d GO 및 TNT/GO 나노복합체의 XPS 스펙트럼. GO와 TNT 사이에 Ti-C 결합이 형성되어 물리적 흡수보다는 안정적인 화학적 부착을 통해 TNT/GO 나노복합체를 제공합니다.
Ti-C 결합의 가능한 형성 과정은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. TNT는 스크롤 형태의 나노튜브 구조를 가지고 있으며, 그 (100) 면은 Ti와 노출된 O 원자로 구성된 계단식 표면 구조이다[40]. pH =1.6의 산성 용액에서 TNT의 벽은 탈수 및 구조 변형을 거쳐 결함을 제공합니다[32, 41]. 그 결과 GO와 TNT 사이에 Ti-C 결합이 형성되어 물리적 흡수보다는 안정적인 화학적 부착을 통해 TNT/GO 나노복합체를 제공한다. Ti-C 결합은 TiO2 사이의 계면 전하 이동을 용이하게 할 수 있기 때문에 및 그래핀[42], Ti-C 결합의 높은 비율은 광분해 촉매에 TNT/GO 나노복합체를 적용하는 데 특히 중요할 수 있습니다.
TNT/GO의 다양한 함량으로 채워진 PVC 및 PVC-매트릭스 복합재료의 TGA 및 DTG 곡선은 그림 4에 표시되어 있습니다. 해당 열중량 측정 데이터는 표 2에 요약되어 있습니다. 여기서 온도는 5%(T 5% ), 50%(T 50% ) 및 최대값(T 최대 ) 질량 손실 발생은 각각 초기 열화 온도, 반 열화 온도 및 최대 열화 온도로 설명됩니다. T 5% , T 50% , 및 T 최대 TNT/GO 충전 PVC 합성물의 비율은 순수 PVC의 합성물보다 약간 높습니다. 특히 2.5%의 TNT/GO 나노 필터를 포함하는 PVC-매트릭스 나노복합재는 상당히 높은 T 최대 버진 PVC보다. 이러한 데이터는 TNT/GO 나노 필러가 PVC의 열 안정성을 향상시킬 수 있음을 나타냅니다. 이는 PVC 매트릭스에서 TNT/GO의 우수한 분산 상태(추가 파일 1:그림 S3 참조), TNT/GO와 PVC 분자 사이의 우수한 계면 상호 작용, TNT와 GO 사이의 상승 효과에 기인할 수 있습니다. 즉, TNT/GO의 우수한 분산은 PVC 사슬의 가교를 촉진할 수 있습니다. GO 나노시트는 TNT의 도움으로 열과 질량의 전달을 억제하는 물리적 장벽으로 작용할 수 있습니다. TNT는 숯에 탄화 및 고정을 촉매하여 잔류 숯의 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 그 결과, 밑에 있는 PVC 매트릭스가 보호되고 PVC-매트릭스 나노복합체의 열적 안정성이 향상됩니다.
<그림>
TGA a 및 DTG b 공기 대기에서 유연한 PVC 및 PVC-매트릭스 복합 재료의 곡선. PVC-매트릭스 나노복합체의 열적 안정성이 향상되었으며, 이는 TNT와 GO 간의 시너지 효과에 기인할 수 있습니다.
순수한 PVC와 TNT/GO 나노충전재의 함량이 다른 복합재료의 인장강도는 Fig. TNT 또는 GO의 혼입은 PVC 기지의 인장강도를 감소시키는 것으로 볼 수 있는데, 이는 무기 충전재가 PVC 기지와의 상용성이 불량하고 상호작용이 약하기 때문이다. 놀랍게도 PVC-매트릭스 복합재료의 파단신율은 TNT/GO 나노충전재의 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향이 있지만 PVC-매트릭스 복합재의 인장강도는 TNTs/GO 나노 필러는 높거나 낮습니다. 이는 TNT/GO 나노 충전재가 우수한 박리 및 분산뿐만 아니라 PVC 매트릭스와의 향상된 계면 접착력을 나타내고 응력을 효과적으로 전달할 수 있기 때문일 수 있습니다.
<그림>
다양한 함량의 TNT/GO(a , ㄷ ) 및 2.5wt.%의 GO 또는 TNT 및 TNT/GO(b , d ). TNTs/GO 나노 필러가 PVC 매트릭스와의 계면 접착력을 향상시키는 우수한 박리 및 분산을 나타내기 때문에 PVC에 통합된 TNT/GO는 PVC 매트릭스 복합재의 인장 강도를 향상시킬 수 있습니다.
한계산소지수(LOI)는 가연성 물질을 선별하는 기준입니다. PVC 및 PVC-매트릭스 복합재료의 LOI 데이터는 그림 6에 나와 있습니다. 순수 PVC의 LOI 값은 25.8로 고유한 가연성에 해당합니다. GO 단독 또는 TNT 단독으로 충전된 PVC의 LOI 값은 각각 26.2와 26.0으로, GO와 TNT가 별도로 PVC의 난연성을 어느 정도 향상시킬 수 있음을 나타냅니다. 이는 GO가 차단 효과를 나타내는 반면 TNT는 숯의 형성을 촉매할 수 있어 흡착 효과와 라디칼 흡착 효과를 나타내기 때문이다. TNT/GO 충전 PVC 복합재료의 경우, LOI 값은 2.5%의 질량 분율까지 나노 충전재의 함량이 증가함에 따라 증가하는 경향이 있습니다. 특히, 2.5%의 TNT/GO 나노충전재를 포함하는 PVC-매트릭스 나노복합체는 GO 단독 또는 TNT 단독으로 충전된 PVC보다 높은 27.4의 최대 LOI를 나타낸다. 이것은 TNT와 GO 사이에 일종의 시너지 난연 효과가 있음을 보여줍니다.
<그림>
다양한 함량의 TNT/GO(a ) 및 2.5wt.%의 GO 또는 TNT 및 TNT/GO(b ). 2.5%의 TNT/GO 나노충전재를 함유하는 PVC-매트릭스 나노복합체는 GO 단독 또는 TNT 단독으로 충전된 PVC보다 높은 27.4의 최대 LOI를 나타낸다. 이것은 TNT와 GO 사이에 상승적인 난연 효과가 있음을 보여줍니다.
피크 열 방출율(pHRR), 총 열 방출(THR), 총 연기 방출(TSR) 및 평균 비질량율(AMLR)은 실제 화재 조건에서 다양한 재료의 가연성을 평가하는 중요한 매개변수이며, 원추형 열량측정법 시험에서 얻을 수 있습니다. 해당 테스트 결과는 그림 7에 나와 있으며 데이터는 표 3에 요약되어 있습니다. 순수한 PVC는 pHRR 값이 355.4kW m -2 인 날카로운 HRR 피크를 가지고 있음을 알 수 있습니다. (그림 7a). 2.5% TNT를 PVC에 통합하면 pHRR 값이 233.7kW m −2 으로 떨어집니다. , 그리고 이러한 34.2% 감소는 TNT의 촉매 작용에 따라 채워진 PVC 표면의 빠른 탄화에 기인합니다. 그러나 TNT로 채워진 PVC의 HRR 곡선은 약 230초에 두 번째 피크를 포함하므로 숯이 불안정하고 쉽게 파괴될 수 있습니다. 대조적으로, 2.5%의 TNT/GO로 채워진 PVC 나노복합재의 pHRR 값은 282.4kW m -2 입니다. , 순수 PVC 대비 20.5% 감소. 더욱이, TNT/GO로 채워진 PVC 나노복합재의 pHRR은 130초에서 낮은 값으로 급격히 감소하고 지속 시간이 연장됨에 따라 일정하게 유지됩니다. 이는 TNT/GO 충전 PVC 복합재 표면의 숯이 매우 안정적이며 열 전달을 방해하는 물리적 장벽으로 작용할 수 있으므로 THR, TSR 및 AMLR을 크게 낮출 수 있음을 나타냅니다.
<그림>
HRR a , THR b , SPR c , 및 TSR d 35kW m −2 에서 원추형 열량계 테스트에서 얻은 순수 연성 PVC 및 PVC-매트릭스 복합 재료의 시간 곡선 대 . TNT로 채워진 PVC의 HRR 곡선은 약 230초에 두 번째 피크를 포함하며, 이는 숯이 불안정하고 쉽게 파괴될 수 있음을 의미합니다. TNTs/GO는 두 번째 열 방출 피크를 억제했으며 2.5% 함량으로 pHRR 값은 282.4kW m -2 입니다. , 순수 PVC 대비 20.5% 감소. 이것은 TNT/GO로 채워진 PVC 복합재 표면의 숯이 매우 안정적이며 열 전달을 방해하는 물리적 장벽으로 작용할 수 있음을 나타냅니다.
PVC-매트릭스 복합재료의 난연성 메커니즘을 추가로 확인하기 위해 잔류 숯의 SEM 분석을 수행했습니다. 그림 8a-c와 같이 모든 외부 숯에는 크기와 분포가 다른 구멍이 있습니다. 이것은 순수한 PVC의 구멍이 넓은 영역을 차지하고 벌크를 관통할 만큼 충분히 깊다는 것을 의미합니다. TNTs-PVC의 외부 char은 순수 PVC의 것과 유사하지만 전자의 구멍이 훨씬 큽니다. 이 구멍은 열과 질량의 수송 채널 역할을 할 수 있습니다. 따라서 순수 PVC 및 TNT-PVC는 열이 연소 표면에서 고분자 매트릭스로 쉽게 전달되고 가연성 유기 휘발성 물질이 기본 매트릭스에서 연소 구역으로 빠져나가도록 합니다. 반대로, TNT/GO-PVC의 외부 숯에는 대부분 발기부전인 구멍이 더 적습니다. 이는 열 및 대량 수송 채널이 차단되었음을 의미합니다. TNT/GO-PVC의 내부 숯(그림 8f)은 조밀하고 표면이 연속적이며 내부에 이산화티타늄이 고정되어 있는 반면 순수 PVC 및 TNT-PVC의 숯은 작은 균열이나 구멍이 많이 있습니다. 이것은 순수한 PVC(1.6, 추가 파일 1:그림 S4 참조)와 비교하여 TNT/GO-PVC(1.1)의 훨씬 작은 ID/IG와 관련하여 TNT/GO가 탄소원을 숯으로 변환할 수 있음을 시사합니다. , 이에 의해 PVC-매트릭스 복합재의 난연성에 추가됩니다. 한 마디로, TNT/GO-PVC 합성물의 안정적이고 조밀하며 연속적인 숯층은 pHRR, THR, SPR 및 TSR을 낮추고 열 충격에도 저항하는 우수한 물리적 장벽으로 작용할 수 있습니다.
<그림>
PVC 잔류탄소의 외부 및 내부 형태의 SEM 이미지(a , d ) TNT-PVC(b , e ) 및 TNT/GO-PVC(c , f ) 합성물. TNTs/GO-PVC의 char은 순수 PVC 또는 TNTs-PVC의 char보다 더 조밀하고 연속적입니다.
TNT와 GO 사이의 시너지 난연 효과는 그림 9에 개략적으로 설명되어 있습니다. 첫째, GO 나노시트의 표면에 장식된 TNT는 GO의 재-적층을 억제하고 PVC 매트릭스에서 TNT/GO의 균일한 분산을 촉진하여 이를 통해 PVC의 열 안정성을 향상시킵니다. 둘째, 표면적이 넓은 TNT와 GO는 연소시 열분해 가스를 흡수하고 휘발성 가스의 확산 방식을 연장하며 촉매 체류 시간을 증가시키는 데 기여하여 TNT의 촉매 작용하에 열분해 가스를 탄소질 숯으로 쉽게 변환 할 수 있습니다. . 셋째, GO 골격은 탄소질 숯의 주형으로 작용하고 TNT의 도움으로 다중 숯의 형성을 촉진하여 연속적이고 조밀한 숯 층을 제공할 수 있습니다. 마지막으로 연소 중 TNT에서 변형된 이산화티타늄(자세한 내용은 추가 파일 1:그림 S4 참조)을 숯 층에 고정하여 숯 층의 열 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 두 번째 피크에서 열충격, 열을 방지하고 연기 방출을 줄입니다. 이러한 여러 요소가 함께 작용하고 PVC-매트릭스 복합재의 향상된 난연성을 설명합니다.
<그림>
TNT/GO의 난연성 및 광촉매 분해 메커니즘의 개략도
앞서 언급했듯이 TNT/GO 나노 충전재는 PVC 분해를 위한 광촉매로 작용할 수 있습니다. 그림 10은 UV 조명 하에서 TNTs-PVC 필름과 TNTs/GO-PVC 필름의 중량 손실을 나타냅니다. TNTs/GO-PVC 필름의 중량 손실은 조사 시간이 연장됨에 따라 점진적으로 감소하고 216시간 동안 4.6% 감소하는 반면 PVC 필름은 동일한 실험 조건에서 중량 손실의 2.5%에 불과합니다. 게다가, TNTs/GO-PVC 필름의 중량 감소율은 PVC 필름 및 TNTs-PVC 필름의 중량 감소율보다 높다. 이는 두 가지 측면에서 볼 수 있다. On the one hand, reduced graphene oxide nanosheets have a large surface area, providing a large interfacial contact surface area and strong interaction with TNT that helps to reduce the charge resistance and the charge recombination rate, which makes it feasible for reduced graphene oxide nanosheets to act as excellent electron acceptors and well transport charge [43,44,45,46]. On the other hand, the Ti–C bond can also promote the interfacial charge transfer, thereby accelerating the degradation of TNTs/GO-PVC nanocomposite films under UV irradiation [42]. The catalytic efficiency of the TNTs/GO nano-filler, however, is fairly low. This is possibly because the incompletely reduced GO nanosheets have a large amount of oxygen-containing functional groups and defects that hinder the charge transport while the dehydration of TNTs at pH = 1.6 also causes defects in the nanotubes to facilitate charge recombination. Therefore, the oxygen-containing functional groups on the surface of graphene nanosheets are simultaneously beneficial to the flame resistance and the photodegradation of PVC-matrix composites.
Weight loss of pure PVC and PVC-matrix nanocomposite films under UV-light irradiation (40% humidity). Incorporated TNTs/GO to PVC could accelerate the photo degradation of PVC. The large interfacial contact surface area and strong interaction between TNT and GO could help to reduce the charge resistance and the charge recombination rate, and the Ti–C bond could also promote the interfacial charge transfer, thereby accelerating the degradation of TNTs/GO-PVC nanocomposite films under UV irradiation
Figure 11 shows the surface morphologies of PVC film and PVC-matrix nanocomposite film before and after 216 h of UV irradiation. It can be seen that the two kinds of PVC films are smooth before UV irradiation. After UV irradiation, many holes are formed on the surface of PVC film (Fig. 11c, d), which indicates that the film undergoes obvious decomposition under UV irradiation. In the meantime, more and large cavities are formed on the surface of TNTs/GO-PVC film after UV irradiation (Fig. 11d), which indicates that the TNTs/GO nano-filler does promote the photocatalytic degradation of PVC under UV irradiation.
SEM images of the morphology of PVC (a , ㄷ ) and TNTs/GO-PVC (b , d ) films before and after 72 h of UV irradiation. More and large cavities were formed on the surface of TNTs/GO-PVC film after UV irradiation, which indicates that the TNTs/GO could promote the photocatalytic degradation of PVC under UV irradiation
The functional groups in the PVC-matrix nanocomposite films were also monitored by FTIR analysis. As shown in Fig. 12a, the Raman peak of carbonyl (C=O) groups at 1680–1800 cm −1 proves that the TNTs/GO-PVC nanocomposite film does undergo degradation reaction during UV irradiation. Moreover, the intensity of the C=O absorption peak increases continually with increasing irradiation time; and the increase in the intensity of the C=O absorption peak is more pronounced for TNTs/GO-PVC film than for neat PVC film and for TNTs-PVC film (Fig. 12b). This further demonstrates that the TNTs/GO nano-filler can indeed promote the photo-oxidation reaction of the PVC matrix.
FTIR spectra of the carbonyl (C=O) groups of TNTs/GO-PVC film versus UV irradiation time (a ) and before and after photodegradation (b ). The intensity of the C=O absorption peak of TNTs/GO-PVC film increases continually with increasing irradiation time; it is more pronounced than that for neat PVC film and for TNTs-PVC film. This further demonstrates that the TNTs/GO nano-filler can indeed promote the photo-oxidation reaction of the PVC matrix
In summary, TNTs/GO nanocomposites were prepared through a facile solution method. The as-prepared TNTs/GO nano-filler can simultaneously improve the flame retardancy and photodegradability of PVC, which could be attributed to the synergistic effects between TNTs and GO. On the one hand, TNTs can suppress the re-stack of GO and promote the uniform dispersion of TNTs/GO in the PVC matrix; GO nanosheets can act as electron acceptors to reduce the charge resistance and charge recombination rate, and the GO skeleton can also act as a template for the carbonaceous char and promote the formation of multiple char under the help of TNTs. On the other hand, titanium dioxide transformed from TNTs during combustion can be anchored in the char layers to enhance the thermal stability of the char layers and accelerate the photodegradation of PVC matrix under UV irradiation. As a result, TNTs/GO-PVC composites exhibit enhanced flame retardancy and photodegradability than TNTs-PVC and GO-PVC counterparts. The present research, hopefully, would help to provide a promising strategy for constructing polymer-matrix composites with simultaneously improved flame retardancy and photodegradability, thereby shedding light on dealing with the white pollution of commonly used polymers. Further researches are to be conducted concerning the enhancement in the flame-retardant and photodegradation efficiencies of the TNTs/GO nano-filler.
나노물질
초록 2차원 물질로 구성된 Van der Waals(vdWs) 헤테로 구조는 매력적인 전기 및 광전자 특성으로 인해 광범위한 관심을 받았습니다. 본 논문에서는 먼저 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법으로 고품질의 대형 그래핀 필름을 제조하였다. 그런 다음 그래핀 필름을 SiO2로 옮겼습니다. /Si 기판; 다음으로 그래핀/WS2 및 그래핀/MoS2 WS2를 직접 성장시켜 달성할 수 있는 대기압 화학 기상 증착 방법으로 헤테로 구조를 준비했습니다. 및 MoS2 그래핀/SiO2의 재료 /Si 기판. 마지막으로
초록 최근에, 암 약물을 위한 나노캐리어 시스템, 특히 GO 기반 약물 전달 시스템은 암 환자에게 혜택이 되고 있습니다. 이 연구에서 우리는 생체 적합성을 향상시키기 위해 GO 표면을 기능화하기 위해 타우를 선택합니다. 첫째, 변형된 Hummer의 방법과 초음파 스트리핑 방법으로 나노크기의 GO를 합성하였다. 타우린으로 변형된 산화 그래핀 담체(Tau-GO)는 제타 전위가 − .8 mV이고 입자 크기가 242 nm인 물에 대한 분산성과 안정성이 좋은 Tau-GO를 얻기 위해 화학적 방법으로 합성되었습니다. 캡슐화 효율 평가 기준에
