杭州師范大學湯龍程:具有協同阻燃效應的氧化石墨烯反應組裝矽橡膠泡沫材料

日前,杭州師范大學有機矽化學及材料技術實驗室湯龍程團隊成功制得瞭具有協同阻燃效應的氧化石墨烯反應組裝矽橡膠泡沫材料,利用二維納米材料反應發泡矽橡膠,原位在泡孔表面形成的致密保護層,實現瞭材料的力學增強和高效阻燃。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”為題發表在Journal of Materials Chemistry A(2018 IF:10.733)。

杭州師范大學湯龍程:具有協同阻燃效應的氧化石墨烯反應組裝矽橡膠泡沫材料
有機矽實驗室湯龍程團隊研究成果發表在Journal of Materials Chemistry A上

矽橡膠泡沫材料既具備有機矽的耐高溫、高彈、難燃等特性又兼有泡沫材料的質輕、隔熱等特點,現已成為國防、高鐵等領域的重要結構材料,而納米材料改性是提升其性能的有效手段。然而,現有物理共混和表面塗覆改性方法存在納米填料團聚、添加含量高、填料/基體界面不理想、結構難以調控等瓶頸問題,難以充分發揮納米材料的卓越性能。

杭州師范大學湯龍程:具有協同阻燃效應的氧化石墨烯反應組裝矽橡膠泡沫材料
矽泡沫材料的發泡過程及氧化石墨烯自主裝過程反應機理

基於此,湯龍程團隊創新設計和發展瞭一種簡單、綠色、低成本的反應自組裝的方法,將極低含量的二維氧化石墨烯片層(~0.1wt%)組裝到矽泡沫泡孔表面,利用氧化石墨烯表面的含氧官能團與含氫矽油或羥基矽油分子間化學反應構築出與基體強界面作用、超薄致密的單層或寡層保護層,這不僅有利於提升泡沫多孔結構承載能力,還會抑制內部有機矽分子的高溫熱分解,進而大幅提升材料力學與阻燃等性能。此外,該二維材料原位組裝過程不使用任何有機溶劑和特殊工藝,具有綠色、快速、簡便等特點,且適用於開孔型或閉孔型矽橡膠泡沫材料的制備。

杭州師范大學湯龍程:具有協同阻燃效應的氧化石墨烯反應組裝矽橡膠泡沫材料
不同含量氧化石墨烯矽橡膠泡沫材料的各種性能

制備的矽橡膠泡沫材料具有良好高溫力學可靠性、熱穩定性和出色的阻燃性能。添加少量的(0.1-0.5 wt%)氧化石墨烯能夠顯著提升矽橡膠泡沫材料的高溫力學循環性能和熱穩定性,相比傳統碳類泡沫材料(如聚氨酯和三聚氰胺泡沫材料),研制的0.1wt%氧化石墨烯反應組裝的矽橡膠泡沫納米復合材料具有卓越阻燃性能,垂直燃燒達到UL94-V0級別。同時,材料的熱釋放速率、煙釋放量均得到顯著降低。極限氧指數測試顯示,0.5wt%氧化石墨烯反應組裝的矽橡膠泡沫材料達到31.5%,遠優於傳統物理共混和表面塗覆制備的矽橡膠泡沫材料。

杭州師范大學湯龍程:具有協同阻燃效應的氧化石墨烯反應組裝矽橡膠泡沫材料
氧化石墨烯納米層在矽泡沫中的阻燃機理分析

研究發現,該低含量氧化石墨烯反應組裝矽橡膠泡沫材料燃燒後結構穩定,外部表面形成一層致密的二氧化碳顆粒,中間為灰色的過渡層,內部仍然保持泡沫材料的原有結構。進一步研究表明,在高溫或火焰條件下,有機矽分子熱分解形成納米二氧化矽會促進氧化石墨烯會熱還原,兩者協同形成致密的石墨烯/納米二氧化矽保護層能夠有效抑制外部高溫和氧氣對內部有機分子的進攻,進而實現矽-碳協同阻燃效應。近期的對比研究發現(Chemical Engineering Journal, 2020, 393, 124724; IF: 8.355),氧化石墨烯片層結構和含量對材料的阻燃效應和力學增強有明顯的影響。上述研究為高性能矽橡膠泡沫納米復合材料設計和發展提供瞭新的思路和方法。

有機矽化學及材料技術實驗室研究生李揚曹承飛,聯合培養博士厲世能為文章並列第一作者,湯龍程研究員為文章通訊作者。

研究工作獲得國傢自然科學基金、浙江省自然科學基金、杭州市科技計劃項目與氟矽精細化工協同創新項目等的聯合資助。

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