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中科院广州化学研究所吴昆研究员课题组在无卤阻燃领域取得进展:功能化磷烯制备环氧阻燃复合材料
2019-11-29  来源:高分子科技

  近年来,因电器、装饰材料等导致的火灾事件居高不下,造成了巨大的人身和财产损失,防火材料的阻燃性受到了前所未有的重视。然而,当前阻燃技术中阻燃剂添加量大、复合材料力学性能差、环境污染重等问题严重制约了阻燃复合材料的实际应用。因此,如何开发出工艺简单、添加量低、环境污染小的无卤阻燃材料一直是阻燃领域的研究重点。

  磷烯是一种新型的二维材料,具有比表面积大、尺寸效应独特、热稳定性高、化学稳定性强、无毒无味等优点,被广泛应用于能源化工、电子器件、生物医药、智能控制等多个领域。但是,当前关于磷烯在阻燃领域的研究,却鲜见报道。

  近日,中科院广州化学研究所吴昆研究员报道了一种利用三聚氰胺-甲醛(MF)为原料,对磷烯(BP)进行功能化,制备出了超高阻燃性能的环氧阻燃复合材料(图1)。

图1 环氧阻燃复合材料的制备过程

  为了证实MF可以对BP进行功能化,研究人员首先基于密度泛函理论(DFT)计算了MF与BP的相互作用,发现其吸附能Eads= -0.63 eV(图2),表明MF与BP之间存在非常强的物理吸附作用。

图2 理论计算MF与BP间的相互作用

  同时,研究人员还发现BP经过MF功能化后,磷烯基阻燃剂(BP@MF)可以显著提高BP在环氧树脂中的分散性(图3)。阻燃性能测试,如图4所示。在BP@MF添加量仅为1.2 wt%,环氧树脂复合材料的热释放峰值降低了43.3%,极限氧指数提升了25.9%,并且复合材料可以顺利通过UL-94 V-0级别测试,展现出优异的阻燃性能。

图3 (a)光学显微镜下BP在环氧树脂中的分散;(b)光学显微镜下经MF修饰的BP在环氧树脂中的分散;(c)BP在环氧树脂中分散的SEM截面图;(d)经MF修饰的BP在环氧树脂中分散的SEM截面图

图 4 环氧阻燃复合材料燃烧的热释放速率,极限氧指数及UL-94测试

  最后,研究人员结合TGA、EDS、XRD、Raman、XPS、TG-IR等多项表征手段对炭层进行了表征,并提出一种两步法的阻燃机理(图5),认为BP@MF在环氧树脂中的阻燃可分为两个阶段:当温度低于400℃时,MF升华吸热,降低体系的温度,而被MF功能化的BP形成膨胀的炭层,阻碍热量和可燃气体的传递;当温度高于400℃后,未参与功能化的BP一方面捕捉自由基,发挥气相阻燃的机理,另一方面捕捉氧气生成磷酸衍生物,进一步促进炭层的形成,达到隔氧隔热的双重作用。

图 5 阻燃机理示意图

  该研究制备的阻燃剂不含卤素,环保安全,且添加量很低,就可以获得优良的阻燃性能,不仅为制备高性能的绿色阻燃剂提供了一种新的思路,同时也大大地扩展了磷烯的应用领域。

  相关研究成果“Surface functionalization of few-layer black phosphorene and its flame retardancy in epoxy resin”近期发表在Chemical Engineering Journal (IF=8.355),论文的通讯作者为中科院广州化学研究所吴昆研究员,博士生屈贞财为论文第一作者。

  该工作得到了国家重点研发计划项目(2017YFD0601003)和广州市科技计划一般项目(201804010174)的资助。

  论文链接地址:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719324015?via%3Dihub

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(责任编辑:xu)
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