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  近年來，因電器、裝飾材料等導(dǎo)致的火災(zāi)事件居高不下，造成了巨大的人身和財產(chǎn)損失，防火材料的阻燃性受到了前所未有的重視。然而，當前阻燃技術(shù)中阻燃劑添加量大、復(fù)合材料力學(xué)性能差、環(huán)境污染重等問題嚴重制約了阻燃復(fù)合材料的實際應(yīng)用。因此，如何開發(fā)出工藝簡單、添加量低、環(huán)境污染小的無鹵阻燃材料一直是阻燃領(lǐng)域的研究重點。

  磷烯是一種新型的二維材料，具有比表面積大、尺寸效應(yīng)獨特、熱穩(wěn)定性高、化學(xué)穩(wěn)定性強、無毒無味等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于能源化工、電子器件、生物醫(yī)藥、智能控制等多個領(lǐng)域。但是，當前關(guān)于磷烯在阻燃領(lǐng)域的研究，卻鮮見報道。

  近日，中科院廣州化學(xué)研究所吳昆研究員報道了一種利用三聚氰胺-甲醛（MF）為原料，對磷烯（BP）進行功能化，制備出了超高阻燃性能的環(huán)氧阻燃復(fù)合材料（圖1）。

圖1 環(huán)氧阻燃復(fù)合材料的制備過程

  為了證實MF可以對BP進行功能化，研究人員首先基于密度泛函理論（DFT）計算了MF與BP的相互作用，發(fā)現(xiàn)其吸附能E_ads= -0.63 eV（圖2），表明MF與BP之間存在非常強的物理吸附作用。

圖2 理論計算MF與BP間的相互作用

  同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)BP經(jīng)過MF功能化后，磷烯基阻燃劑（BP@MF）可以顯著提高BP在環(huán)氧樹脂中的分散性（圖3）。阻燃性能測試，如圖4所示。在BP@MF添加量僅為1.2 wt%，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱釋放峰值降低了43.3%，極限氧指數(shù)提升了25.9%，并且復(fù)合材料可以順利通過UL-94 V-0級別測試，展現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性能。

圖3 （a）光學(xué)顯微鏡下BP在環(huán)氧樹脂中的分散；（b）光學(xué)顯微鏡下經(jīng)MF修飾的BP在環(huán)氧樹脂中的分散；（c）BP在環(huán)氧樹脂中分散的SEM截面圖；（d）經(jīng)MF修飾的BP在環(huán)氧樹脂中分散的SEM截面圖

圖 4 環(huán)氧阻燃復(fù)合材料燃燒的熱釋放速率，極限氧指數(shù)及UL-94測試

  最后，研究人員結(jié)合TGA、EDS、XRD、Raman、XPS、TG-IR等多項表征手段對炭層進行了表征，并提出一種兩步法的阻燃機理（圖5），認為BP@MF在環(huán)氧樹脂中的阻燃可分為兩個階段：當溫度低于400℃時，MF升華吸熱，降低體系的溫度，而被MF功能化的BP形成膨脹的炭層，阻礙熱量和可燃氣體的傳遞；當溫度高于400℃后，未參與功能化的BP一方面捕捉自由基，發(fā)揮氣相阻燃的機理，另一方面捕捉氧氣生成磷酸衍生物，進一步促進炭層的形成，達到隔氧隔熱的雙重作用。

圖 5 阻燃機理示意圖

  該研究制備的阻燃劑不含鹵素，環(huán)保安全，且添加量很低，就可以獲得優(yōu)良的阻燃性能，不僅為制備高性能的綠色阻燃劑提供了一種新的思路，同時也大大地擴展了磷烯的應(yīng)用領(lǐng)域。

  相關(guān)研究成果“Surface functionalization of few-layer black phosphorene and its flame retardancy in epoxy resin”近期發(fā)表在Chemical Engineering Journal (IF=8.355)，論文的通訊作者為中科院廣州化學(xué)研究所吳昆研究員，博士生屈貞財為論文第一作者。

  該工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0601003）和廣州市科技計劃一般項目（201804010174）的資助。

  論文鏈接地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719324015?via%3Dihub

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