日前，杭州師范大學(xué)有機(jī)硅化學(xué)及材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)室湯龍程團(tuán)隊(duì)成功制得了具有協(xié)同阻燃效應(yīng)的氧化石墨烯反應(yīng)組裝硅橡膠泡沫材料，利用二維納米材料反應(yīng)發(fā)泡硅橡膠，原位在泡孔表面形成的致密保護(hù)層，實(shí)現(xiàn)了材料的力學(xué)增強(qiáng)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(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（2018 IF:10.733）。
硅橡膠泡沫材料既具備有機(jī)硅的耐高溫、高彈、難燃等特性又兼有泡沫材料的質(zhì)輕、隔熱等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為國(guó)防、高鐵等領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，而納米材料改性是提升其性能的有效手段。然而，現(xiàn)有物理共混和表面涂覆改性方法存在納米填料團(tuán)聚、添加含量高、填料/基體界面不理想、結(jié)構(gòu)難以調(diào)控等瓶頸問題，難以充分發(fā)揮納米材料的卓越性能。
基于此，湯龍程團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和發(fā)展了一種簡(jiǎn)單、綠色、低成本的反應(yīng)自組裝的方法，將極低含量的二維氧化石墨烯片層（～0.1wt%）組裝到硅泡沫泡孔表面，利用氧化石墨烯表面的含氧官能團(tuán)與含氫硅油或羥基硅油分子間化學(xué)反應(yīng)構(gòu)筑出與基體強(qiáng)界面作用、超薄致密的單層或寡層保護(hù)層，這不僅有利于提升泡沫多孔結(jié)構(gòu)承載能力，還會(huì)抑制內(nèi)部有機(jī)硅分子的高溫?zé)岱纸?，進(jìn)而大幅提升材料力學(xué)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(jī)溶劑和特殊工藝，具有綠色、快速、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，且適用于開孔型或閉孔型硅橡膠泡沫材料的制備。
制備的硅橡膠泡沫材料具有良好高溫力學(xué)可靠性、熱穩(wěn)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硅橡膠泡沫材料的高溫力學(xué)循環(huán)性能和熱穩(wěn)定性，相比傳統(tǒng)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(yīng)組裝的硅橡膠泡沫納米復(fù)合材料具有卓越阻燃性能，垂直燃燒達(dá)到UL94-V0級(jí)別。同時(shí)，材料的熱釋放速率、煙釋放量均得到顯著降低。極限氧指數(shù)測(cè)試顯示，0.5wt%氧化石墨烯反應(yīng)組裝的硅橡膠泡沫材料達(dá)到31.5%，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)物理共混和表面涂覆制備的硅橡膠泡沫材料。
研究發(fā)現(xiàn)，該低含量氧化石墨烯反應(yīng)組裝硅橡膠泡沫材料燃燒后結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(nèi)部仍然保持泡沫材料的原有結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步研究表明，在高溫或火焰條件下，有機(jī)硅分子熱分解形成納米二氧化硅會(huì)促進(jìn)氧化石墨烯會(huì)熱還原，兩者協(xié)同形成致密的石墨烯/納米二氧化硅保護(hù)層能夠有效抑制外部高溫和氧氣對(duì)內(nèi)部有機(jī)分子的進(jìn)攻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)硅-碳協(xié)同阻燃效應(yīng)。近期的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)（Chemical Engineering Journal, 2020, 393, 124724; IF: 8.355），氧化石墨烯片層結(jié)構(gòu)和含量對(duì)材料的阻燃效應(yīng)和力學(xué)增強(qiáng)有明顯的影響。上述研究為高性能硅橡膠泡沫納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)和發(fā)展提供了新的思路和方法。
有機(jī)硅化學(xué)及材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究生李揚(yáng)、曹承飛，聯(lián)合培養(yǎng)博士厲世能為文章并列第一作者，湯龍程研究員為文章通訊作者。
研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、杭州市科技計(jì)劃項(xiàng)目與氟硅精細(xì)化工協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目等的聯(lián)合資助。
