壳聚糖-植酸/TiO2抗氧化复合材料的设计及其在煤自燃防治中的协同机制研究

为解决传统煤矿防灭火技术有效期短、渗透性差及化学残留污染等问题，四川科研团队创新性地开发了基于HM-TiO2@CS-PA/TP的缓释型复合阻燃剂。该材料通过LBL自组装技术整合物理隔离（TiO2）、自由基淬灭（TP）与催化成炭（CS/PA）三重功能，使煤体着火延迟时间提升48%，高温下（>400°C）仍保持结构稳定性，为深部隐蔽煤层火灾防治提供了环境友好型解决方案。

　　

煤矿火灾如同潜伏的地底恶魔，每年吞噬大量资源并释放有毒气体。传统应对策略如注浆、惰化等技术在深部煤层中捉襟见肘——它们像漏雨的伞，既挡不住氧气渗透（物理抑制剂易脱附），又可能带来二次污染（化学氧化剂产腐蚀性副产物）。更棘手的是，天然抗氧化剂虽能中断链式反应，却像烈日下的冰淇淋，在高温中快速失效。这种"阻燃-环保-长效"不可能三角，促使科学家将目光转向纳米技术与生物材料的跨界融合。

四川科研团队在《Fuel》发表的这项研究，巧妙设计了一种"纳米装甲车"：以空心介孔二氧化钛(HM-TiO₂)为运输载体，装载茶多酚(TP)抗氧化弹药，再通过壳聚糖(CS)和植酸(PA)的层层自组装(LBL)打造防火装甲。这种三明治结构不仅让TP缓慢释放以延长战斗时间，还能在400°C高温下催化形成致密炭层，实现物理化学双重防御。

研究采用四大关键技术：溶剂热法制备HM-TiO₂载体、真空负载TP抗氧化剂、LBL技术构建CS/PA防护层、以及程序升温氧化实验结合TG-FTIR实时监测阻燃效果。通过对比原煤与处理煤样的质量损失、特征气体(CO/CO₂/CH₄)释放及自由基中间体变化，系统评估复合材料的性能。

【微观形貌与结构】
SEM/TEM显示HM-TiO₂具有均匀孔道(直径8.12nm)，LBL涂层后形成透明包覆层。FTIR证实CS与PA通过磷酸酯键交联，XRD证明TiO₂保持锐钛矿晶型，为高温稳定性奠定基础。

【阻燃性能】
温度编程实验揭示三大优势：1) 使煤体临界温度从156°C升至198°C；2) CO释放量降低62%，有效遏制阴燃阶段链式反应；3) 在400-600°C区间，TiO₂催化形成的炭层使氧扩散系数下降2个数量级。

【作用机制】
TG-DSC分析发现复合材料存在三重防护：TP在150-300°C清除·OH自由基，CS/PA在300-450°C促进交联成炭，TiO₂骨架在高温区维持结构完整性。这种分段防御体系解释了48%着火延迟的提升。

该研究突破传统阻燃剂"单兵作战"的局限，通过生物材料与纳米技术的协同设计，实现1+1+1>3的效果。相比氯化镁等无机盐抑制剂，其生物降解性消除矿区土壤污染风险；相较于纯抗氧化剂，8.25%的TP负载率大幅降低成本。这种"以自然对抗自然"的策略，为绿色矿山建设提供新范式，未来可通过调节LBL层数进一步优化缓释曲线，在深部煤层火灾防治中展现广阔应用前景。