中科院广州化学研究所吴昆研究员课题组在无卤阻燃领域取得进展：功能化磷烯制备环氧阻燃复合材料

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近年来，因电器、装饰材料等导致的火灾事件居高不下，造成了巨大的人身和财产损失，防火材料的阻燃性受到了前所未有的重视。然而，当前阻燃技术中阻燃剂添加量大、复合材料力学性能差、环境污染重等问题严重制约了阻燃复合材料的实际应用。因此，如何开发出工艺简单、添加量低、环境污染小的无卤阻燃材料一直是阻燃领域的研究重点。

磷烯是一种新型的二维材料，具有比表面积大、尺寸效应独特、热稳定性高、化学稳定性强、无毒无味等优点，被广泛应用于能源化工、电子器件、生物医药、智能控制等多个领域。但是，当前关于磷烯在阻燃领域的研究，却鲜见报道。

近日，中科院广州化学研究所吴昆研究员报道了一种利用三聚氰胺-甲醛（MF）为原料，对磷烯（BP）进行功能化，制备出了超高阻燃性能的环氧阻燃复合材料（图1）。

图1 环氧阻燃复合材料的制备过程

为了证实MF可以对BP进行功能化，研究人员首先基于密度泛函理论（DFT）计算了MF与BP的相互作用，发现其吸附能E_ads= -0.63 eV（图2），表明MF与BP之间存在非常强的物理吸附作用。

图2 理论计算MF与BP间的相互作用

同时，研究人员还发现BP经过MF功能化后，磷烯基阻燃剂（BP@MF）可以显著提高BP在环氧树脂中的分散性（图3）。阻燃性能测试，如图4所示。在BP@MF添加量仅为1.2 wt%，环氧树脂复合材料的热释放峰值降低了43.3%，极限氧指数提升了25.9%，并且复合材料可以顺利通过UL-94 V-0级别测试，展现出优异的阻燃性能。

图3 （a）光学显微镜下BP在环氧树脂中的分散；（b）光学显微镜下经MF修饰的BP在环氧树脂中的分散；（c）BP在环氧树脂中分散的SEM截面图；（d）经MF修饰的BP在环氧树脂中分散的SEM截面图

图 4 环氧阻燃复合材料燃烧的热释放速率，极限氧指数及UL-94测试

最后，研究人员结合TGA、EDS、XRD、Raman、XPS、TG-IR等多项表征手段对炭层进行了表征，并提出一种两步法的阻燃机理（图5），认为BP@MF在环氧树脂中的阻燃可分为两个阶段：当温度低于400℃时，MF升华吸热，降低体系的温度，而被MF功能化的BP形成膨胀的炭层，阻碍热量和可燃气体的传递；当温度高于400℃后，未参与功能化的BP一方面捕捉自由基，发挥气相阻燃的机理，另一方面捕捉氧气生成磷酸衍生物，进一步促进炭层的形成，达到隔氧隔热的双重作用。

图 5 阻燃机理示意图

该研究制备的阻燃剂不含卤素，环保安全，且添加量很低，就可以获得优良的阻燃性能，不仅为制备高性能的绿色阻燃剂提供了一种新的思路，同时也大大地扩展了磷烯的应用领域。

相关研究成果“Surface functionalization of few-layer black phosphorene and its flame retardancy in epoxy resin”近期发表在Chemical Engineering Journal (IF=8.355)，论文的通讯作者为中科院广州化学研究所吴昆研究员，博士生屈贞财为论文第一作者。

该工作得到了国家重点研发计划项目（2017YFD0601003）和广州市科技计划一般项目（201804010174）的资助。

论文链接地址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719324015?via%3Dihub

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