受菠萝皮天然阻燃特性的启发，对基于废弃物的MOF水凝胶的制备过程及其防火性能进行了分析

《Polymer Degradation and Stability》：Preparation and fire prevention performance analysis of MOF hydrogel from waste inspired by the natural flame-retardant properties of pineapple peel

本研究利用菠萝皮提取纤维素纳米纤维（CNF）作为聚合物基体，通过溶胶热法合成氨基功能化金属有机框架（NH?-MIL-53(Al)），经羧基化铁(III)乙酰丙酮酸共价修饰后，采用原位聚合和交联策略构建了Fe(acac)?-NH?-MIL-53(Al)-CNF/PVA复合水凝胶（FNMCP）。实验表明，当CNF与PVA质量比为1:5且添加4 wt% MOF时，材料吸水保水性能最佳，可降低煤氧化燃烧的峰值热释放率53.4%、总热释放量39.8%、有效燃烧热48.9%，烟雾抑制效率达70.6%。DFT模拟显示该水凝胶通过增强煤表面润湿性有效终止链式反应，为煤矿火灾防治提供了新型可持续材料。

　　这项研究旨在实现废弃物资源再利用与煤矿防火的双重目标，通过借鉴菠萝皮的天然阻燃特性，科学家们从废弃菠萝皮中提取出纤维素纳米纤维（CNF）作为聚合物基质。同时，采用溶剂热法合成了一种金属有机框架材料NH?-MIL-53(Al)，并在其表面通过共价键接枝了羧基化的铁乙酰乙酸盐（Fe(acac)?）。随后，研究团队采用原位聚合与交联策略，在CNF/PVA水凝胶网络中生长MOF晶体，最终制备出一种具有优异结构稳定性和功能响应性的Fe(acac)?-NH?-MIL-53(Al)-CNF/PVA复合水凝胶材料（FNMCP）。实验结果显示，当CNF与PVA的质量比为1:5，并加入4%的Fe(acac)?-NH?-MIL-53(Al)时，该材料表现出最佳的吸水和保水性能。通过红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析确认了材料成功实现了接枝共聚。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，MOF晶体在水凝胶的多孔结构中均匀生长，形成了稳定的复合体系。阻燃性测试和锥形量热实验表明，该材料能有效抑制煤炭的氧化燃烧过程，将峰值热释放速率、总热释放量和有效热分别降低了53.4%、39.8%和48.9%，同时实现了最高70.6%的烟雾抑制效率。此外，密度泛函理论（DFT）分析表明，水凝胶提升了煤炭表面的润湿性，从而有效终止了链式反应，展现出卓越的阻燃能力。

在煤矿生产过程中，煤矿火灾对安全和生产构成了重大威胁。根据国家能源局的规划，2024年中国煤炭产量达到了47.6亿吨，2025年的目标是增加至约48亿吨。同时，大型煤矿的智能化生产能力超过了50%。然而，煤矿火灾仍然是造成安全事故的主要原因之一。值得注意的是，在能源供需与生态环境压力的双重背景下，煤矿火灾防控面临着新的挑战，即环境安全与生产安全的协同治理问题。矿区内的自燃现象不仅导致每年超过60%的内生火灾事故，还通过释放大量有毒有害气体和燃烧残渣，引发二次环境灾害，如大气污染和土壤酸化。目前，传统的防火灭火技术，如黄泥灌浆、阻燃剂喷洒和泡沫注入，由于实际应用中的不足，其效果受到限制。例如，黄泥灌浆受到地质条件的限制，且流动性差；阻燃剂的性能容易受到环境湿度的影响；而泡沫材料缺乏机械稳定性，难以实现长期的氧气隔离。面对这些技术瓶颈，开发具有高效阻燃性、环境友好性和长期稳定性的新型防火灭火材料已成为煤矿安全的迫切需求。

近年来，水凝胶材料在防火和灭火领域展现出巨大的潜力。这主要得益于其卓越的吸水和保水能力、三维网络结构以及可调控的物理化学性质。然而，传统水凝胶普遍存在机械强度低、高温性能差以及阻燃效率不足等问题，这些限制了其在复杂矿井环境中的应用。为了突破这一瓶颈，研究人员正致力于开发新型纳米复合材料。金属有机框架（MOF）材料因其独特的结构特性、高比表面积、可调节的孔结构和优异的热稳定性，在阻燃载体和气体吸附领域表现出显著优势。以NH?-MIL-53(Al)为例，这种基于铝的MOF材料突破了传统MOF材料在水稳定性方面的局限，其热稳定性可超过400℃。材料表面的氨基官能团通过化学修饰能够有效增强与聚合物基质的界面结合，为开发高性能阻燃复合材料提供了理想的材料平台。同时，生物质废弃物的资源化利用逐渐成为材料科学的研究热点。全球范围内，菠萝皮作为果蔬加工行业的主要副产品，年产量可达2500万吨。这些废弃物富含纤维素成分，可以通过化学机械法转化为纳米纤维素（CNF）。CNF具有显著的高长宽比，能够有效增强材料的机械性能。此外，其丰富的羟基可以在材料表面形成稳定的氢键网络，进一步提升复合材料的机械性能和环境友好性。

受菠萝皮多孔结构和内在阻燃特性的启发，本研究提出了一种基于废弃物资源利用的MOF复合水凝胶设计策略。首先，从废弃菠萝皮中提取出CNF作为基质，随后通过溶剂热法合成NH?-MIL-53(Al)并将其表面接枝羧基化的Fe(acac)?。接着，采用原位聚合与交联策略，在CNF/PVA水凝胶网络中生长Fe(acac)?修饰的氨基功能化MIL-53(Al)晶体，最终制备出具有优异结构稳定性和功能响应性的FNMCP复合水凝胶材料。通过FTIR、SEM、XRD和热重分析（TG）等手段对材料的微观结构和反应机制进行了表征。同时，设计相关实验以评估其吸水和保水能力、机械性能以及阻燃性能。此外，基于密度泛函理论（DFT）构建了水凝胶-水-煤三相系统的动态模型，分析了系统的静电势分布，揭示了复合水凝胶与煤在分子层面的相互作用机制和阻燃行为。

研究团队还指出，当前关于MOF基水凝胶和气凝胶的研究主要集中在生物医学、环境工程和柔性设备等领域，而在煤矿防火方面的应用却鲜有报道。本研究通过将功能化的MOF与水凝胶复合，成功解决了传统水凝胶在机械性能、热稳定性及阻燃效率方面的不足。这种创新性的材料设计不仅为煤矿安全提供了一种新的解决方案，也为废弃物资源的高效利用开辟了新的途径。通过这种协同作用，材料在保持良好机械性能的同时，也具备出色的阻燃效果，能够在煤矿火灾防控中发挥重要作用。此外，这种复合水凝胶材料的环境友好性使其在实际应用中更具优势，能够减少对环境的负面影响，实现可持续发展。

综上所述，本研究通过将PFM和水凝胶相结合，成功开发出一种具有高效阻燃性能、优异机械强度和良好热稳定性的新型复合材料。这种材料不仅在实验室条件下表现出良好的性能，还具备实际应用的潜力。通过将废弃的菠萝皮转化为高价值的纳米纤维素，并将其与MOF材料结合，研究团队成功实现了资源的循环利用，同时为煤矿火灾防控提供了新的思路和技术手段。这一成果不仅在材料科学领域具有重要意义，也为环境保护和能源安全提供了新的解决方案。未来，随着研究的深入和技术的进步，这种新型复合材料有望在更广泛的领域中得到应用，为实现绿色、可持续的工业发展做出贡献。