日前，杭州師范大學(xué)有機硅化學(xué)及材料技術(shù)實驗室湯龍程團隊成功制得了具有協(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層，實現(xiàn)了材料的力學(xué)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(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（2018 IF:10.733）。
硅橡膠泡沫材料既具備有機硅的耐高溫、高彈、難燃等特性又兼有泡沫材料的質(zhì)輕、隔熱等特點，現(xiàn)已成為國防、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，湯龍程團隊創(chuàng)新設(shè)計和發(fā)展了一種簡單、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)筑出與基體強界面作用、超薄致密的單層或寡層保護層，這不僅有利于提升泡沫多孔結(jié)構(gòu)承載能力，還會抑制內(nèi)部有機硅分子的高溫?zé)岱纸?，進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溶劑和特殊工藝，具有綠色、快速、簡便等特點，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(shù)測試顯示，0.5wt%氧化石墨烯反應(yīng)組裝的硅橡膠泡沫材料達到31.5%，遠優(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)。進一步研究表明，在高溫或火焰條件下，有機硅分子熱分解形成納米二氧化硅會促進氧化石墨烯會熱還原，兩者協(xié)同形成致密的石墨烯/納米二氧化硅保護層能夠有效抑制外部高溫和氧氣對內(nèi)部有機分子的進攻，進而實現(xiàn)硅-碳協(xié)同阻燃效應(yīng)。近期的對比研究發(fā)現(xiàn)（Chemical Engineering Journal, 2020, 393, 124724; IF: 8.355），氧化石墨烯片層結(jié)構(gòu)和含量對材料的阻燃效應(yīng)和力學(xué)增強有明顯的影響。上述研究為高性能硅橡膠泡沫納米復(fù)合材料設(shè)計和發(fā)展提供了新的思路和方法。
有機硅化學(xué)及材料技術(shù)實驗室研究生李揚、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。
研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、杭州市科技計劃項目與氟硅精細(xì)化工協(xié)同創(chuàng)新項目等的聯(lián)合資助。
