Metal-organic frameworks (mofs) derived hierarchical hybrids as fire retardants for epoxy composites

Resumen

Epoxi (EP) se han aplicado ampliamente en varios campos debido a sus excelentes propiedades, como su bajo coste, alta estabilidad térmica y buen adhesivo. Sin embargo, al igual que ocurre con la mayoría de materiales poliméricos, los peligros intrínsecos de la combustión del EP, incluida la generación de calor, humo y gases tóxicos durante la combustión, provocan una pérdida significativa de vidas y daños al ser humano, por lo que se han restringido significativamente sus aplicaciones. Con el objetivo de mejorar la seguridad contra incendios de los EP mediante la aplicación de retardantes de fuego (FR) de baja carga, sostenibles y de alta eficiencia sin deteriorar las otras funciones, las estructuras metalorgánicas (Metal Organic Framework, MOFs), que son estructuras altamente porosas compuestas por centros metálicos y orgánicos enlazadores, han sido muy estudiados de forma exhaustiva en los últimos cinco años en este trabajo. Los MOFs, como híbridos orgánico-inorgánicos, poseen abundantes especies de metales de transición, elementos retardantes de fuego, y se consideran una fuente potencial de carbono que viene acompañada por un fácil ajuste de su estructura y propiedades, haciendo por tanto que los MOFs, sus híbridos y derivados sean prometedores en el campo de investigación referente a la retardancia de llama. En base a investigaciones estado del arte sobre los derivados de MOF o MOF que contienen compuestos poliméricos, se estudió el potencial de los MOFs en el campo de la retardancia de llama y se diseñó racionalmente la estructura sintonizable de los FR jerárquicos derivados del MOF para cumplir con las funciones que se establecieron como objetivo. Se han propuesto tres estrategias diferentes de la aplicación de MOFs: como sinergia con FR intumescentes (IFR), en el desarrollo de MOF conteniendo catalizadores interfaciales de autoensamblaje IFR y como MOFs tres en uno para impartir EP con un retardancia de llama significativamente mejorada. Más importante aún, se ha llevado a cabo el análisis sistemático del carbón en términos de su estructura porosa interna, mecánica, térmica y un posible mecanismo de carbonización catalítica. Los detalles del trabajo se presentan a continuación: (1) En el capítulo 3, se explora el uso de híbridos MOF como actuadore sinérgico. Se sintetiza el sándwich bimetálico jerárquico como los nanohíbridos MOF@GO. El tamaño y distribución de los MOFs en capas GO se ajustan cambiando la relación de los dos iones metálicos, cuya relación Zn / Co es de aproximadamente 6/4 como condición óptima. Con el objetivo de obtener un carbón intumescente, solo el 0.5% de los híbridos MOF@GO empleando un 9.5% IFR mostraron una disminución del 52% en la tasa máxima de liberación de calor (pHRR) y una disminución del 50.9% en la producción total de humo (TSP). El residuo de carbón aislado y reforzado que actúa como barrera se considera el parámetro crucial de estos experimentos. El estudio de tomografía de rayos X de la estructura porosa interna primera vez reveló una estructura suelta y alternativa debido a la liberación de volátiles. Las propiedades mecánicas de los residuos de combustión carbonáceos realizados mediante análisis mecánico-dinámico en modo compresión, demostraron que la presencia de MOF híbrido puede, de forma significativa, reforzar el residuo y disminuir el efecto espumante, y por lo tanto, el tamaño de los poros. Sólo el mínimo módulo del residuo a 4000-5000 Pa puede proporcionar un residuo carbonáceo eficiente y de buena protección equilibrando mecánico, térmicos y espumantes. (2) En el capítulo 4, los MOFs que contienen retardantes de llama intumescentes tres en uno se construyen con ácido fítico proveniente de biomasa y beta-ciclodextrina (β-CD). Los MOFs funcionalizados con fósforo actúan como fuente de ácido y gas, injertándose en primer lugar en β-CD, y luego posteriormente en la EP. Con solo el 5% de los nuevos híbrido, los compuestos de EP mostraron una reducción del 55% en la tasa máxima de liberación de calor (pHRR). Los residuos de carbón intumescente actuando como barrera física con celda cerrada se obtuvieron cuando se aumentó la carga de FR (EP/7βCD@P-MOF). Se observó adicionalmente la estructura en capas alternativas pero con una estructura muy porosa, lo que indica el deterioro del carbonizado. Además, la temperatura de descomposición de este híbrido, que está más relacionada con la temprana temperatura de descomposición del EP, puede modificar el proceso de degradación del EP a través por ejemplo, de la escisión extensiva aleatoria y recombinación de los radicales, promoviendo por tanto, la inhibición de la llama y la formacion de un residuo carbonoso mejorado. (3) En el capítulo 5, basado en el estudio previo de mecanismo de los MOFs, la estructura jerárquica personalizada (UiO66-PDA-PBA) fue diseñada con MOFs de retardancia de llama fundamental (UiO-66) como estructura central, PBA como capas promotoras catalíticas de superficie, y polidopamina (PDA) como enlace entre los dos. Los resultados demostraron que con la adición de un 3% de UiO66-PDA-PBA, los compuestos EP mostraron una disminución del 50% en el pHRR y una disminución del 66% en la producción de monóxido de carbono (COP), junto con la calificación UL-94 V1 (t1+t2=12 s). Los compuestos EP/MOF se trataron térmicamente a diferentes temperaturas y durante más tiempo para simular condiciones de fuego y utilizando el método de extracción soxhlet para extraer los químicos aromáticos durante el proceso de carbonización. Los resultados revelaron que la presencia de MOFs acelera el proceso de carbonización de los mismos y, en particular, pueden ciclar catalíticamente (reacción de hidroalcoxilación) sustratos de alqueno que contienen grupos fenol a lactona.