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杭州师范大学汤龙程《JMCA》:具有协同阻燃效应的氧化石墨烯反应组装硅橡胶泡沫材料
出处:杭州师范大学、高分子科学前沿  录入日期:2020-05-20  点击数:133

  日前,杭州师范大学有机硅化学及材料技术实验室汤龙程团队成功制得了具有协同阻燃效应的氧化石墨烯反应组装硅橡胶泡沫材料,利用二维纳米材料反应发泡硅橡胶,原位在泡孔表面形成的致密保护层,实现了材料的力学增强和高效阻燃。科研成果以“In situ reactive self-assembly of a graphene oxide nano-coating in polymer foam materials with synergistic fire shielding properties”为题发表在Journal of Materials Chemistry A(2018 IF:10.733)。

 

  有机硅实验室汤龙程团队研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A上硅橡胶泡沫材料既具备有机硅的耐高温、高弹、难燃等特性又兼有泡沫材料的质轻、隔热等特点,现已成为国防、高铁等领域的重要结构材料,而纳米材料改性是提升其性能的有效手段。然而,现有物理共混和表面涂覆改性方法存在纳米填料团聚、添加含量高、填料/基体界面不理想、结构难以调控等瓶颈问题,难以充分发挥纳米材料的卓越性能。

 


硅泡沫材料的发泡过程及氧化石墨烯自主装过程反应机理


  基于此,汤龙程团队创新设计和发展了一种简单、绿色、低成本的反应自组装的方法,将极低含量的二维氧化石墨烯片层(~0.1wt%)组装到硅泡沫泡孔表面,利用氧化石墨烯表面的含氧官能团与含氢硅油或羟基硅油分子间化学反应构筑出与基体强界面作用、超薄致密的单层或寡层保护层,这不仅有利于提升泡沫多孔结构承载能力,还会抑制内部有机硅分子的高温热分解,进而大幅提升材料力学与阻燃等性能。此外,该二维材料原位组装过程不使用任何有机溶剂和特殊工艺,具有绿色、快速、简便等特点,且适用于开孔型或闭孔型硅橡胶泡沫材料的制备。

 


不同含量氧化石墨烯硅橡胶泡沫材料的各种性能


  制备的硅橡胶泡沫材料具有良好高温力学可靠性、热稳定性和出色的阻燃性能。添加少量的(0.1-0.5 wt%)氧化石墨烯能够显著提升硅橡胶泡沫材料的高温力学循环性能和热稳定性,相比传统碳类泡沫材料(如聚氨酯和三聚氰胺泡沫材料),研制的0.1wt%氧化石墨烯反应组装的硅橡胶泡沫纳米复合材料具有卓越阻燃性能,垂直燃烧达到UL94-V0级别。同时,材料的热释放速率、烟释放量均得到显著降低。极限氧指数测试显示,0.5wt%氧化石墨烯反应组装的硅橡胶泡沫材料达到31.5%,远优于传统物理共混和表面涂覆制备的硅橡胶泡沫材料。

 


氧化石墨烯纳米层在硅泡沫中的阻燃机理分析


  研究发现,该低含量氧化石墨烯反应组装硅橡胶泡沫材料燃烧后结构稳定,外部表面形成一层致密的二氧化碳颗粒,中间为灰色的过渡层,内部仍然保持泡沫材料的原有结构。进一步研究表明,在高温或火焰条件下,有机硅分子热分解形成纳米二氧化硅会促进氧化石墨烯会热还原,两者协同形成致密的石墨烯/纳米二氧化硅保护层能够有效抑制外部高温和氧气对内部有机分子的进攻,进而实现硅-碳协同阻燃效应。近期的对比研究发现(Chemical Engineering Journal, 2020, 393, 124724; IF: 8.355),氧化石墨烯片层结构和含量对材料的阻燃效应和力学增强有明显的影响。上述研究为高性能硅橡胶泡沫纳米复合材料设计和发展提供了新的思路和方法。
  有机硅化学及材料技术实验室研究生李扬、曹承飞,联合培养博士厉世能为文章并列第一作者,汤龙程研究员为文章通讯作者。
  研究工作获得国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、杭州市科技计划项目与氟硅精细化工协同创新项目等的联合资助。

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