NML研究论文 | 非共价官能化氧化石墨烯涂层：提高聚合物薄膜的热稳定性和阻燃性能
Non-covalently Functionalized Graphene Oxide-Based Coating to Enhance Thermal Stability and Flame Retardancy of PVA Film
Wenhua Chen1, #, Pengju Liu1, #, Lizhen Min1, Yiming Zhou1, Yuan Liu1,[1], QiWang1, Wenfeng Duan2
Nano-Micro Lett. (2018) 10: 39
DOI: 10.1007/s40820-018-0190-8
本文亮点
1 通过非共价官能化方法改性氧化石墨烯，制备了功能化石墨烯材料（FGO）。
2 用层-层自组装技术将含有FGO的复合材料沉积在PVA薄膜上。
3 改性后的PVA薄膜的阻燃性能大幅提高，总热量释放比提高了60%。该研究成果具有较好的实用前景。
内容简介
聚合物薄膜在工业和日常生活等诸多领域有重要应用，阻燃性能是聚合物薄膜的重要性能指标之一。由于石墨烯的层状结构有利于隔绝热能的释放，阻止热解产物以及氧气的扩散，因此，将石墨烯与传统阻燃物进行复合，是开发新型阻燃材料的有效途径之一。
四川大学刘渊教授课题组提出了一种新的复合方法，即利用非共价官能化氧化石墨烯涂层来改善聚合物薄膜的阻燃性能。首先，他们利用磷-氮复合物对氧化石墨烯进行非共价改性（FGO），再通过基于静电作用的层层自组装方法，在PVA薄膜上交替沉积聚乙烯亚胺层和FGO层。
燃烧试验证实，该涂层可以大大阻碍燃烧过程中的热能传输，有涂层的PVA薄膜初始分解温度达260 °C，同时总热量释放相比纯PVA薄膜降低60%。该方案在阻燃聚合物的开发方面具有较好的实用前景。
图文导读
1 非共价官能化石墨烯（FGO）的制备
用改良Hummers法制备氧化石墨烯（GO）。在GO中引入氧基团可以有效地降低相邻碳片之间的范德华力，水分子可以轻松渗透GO的夹层。因此，借助温和的超声波，GO可以在水中形成成单层片状结构，从而GO（200 mg）可在200 mL去离子水中形成稳定的胶体悬浮液。
随后，在搅拌状态下将20mL HPTCP（200 mg）的醇溶液滴入GO悬浮液中。由于水和乙醇的极性不同，HPTCP在水中的溶解性降低。
因此，较难溶解的HPTCP通过强π-π键的相互作用与GO连接。HPTCP分子连续渗透到GO片中有助于FGO在水中更稳定的分散，并且π-π键的相互作用可防止单层片状结构重新堆积。
2 FGO多层膜包覆的聚乙烯醇（PVA）膜的结构和性能
将清洁过的PVA薄膜交替地浸入到带有相反电荷的PEI和FGO溶液中，使得FGO薄片在PVA薄膜表面上静电沉积。对所制备的LBL组装的FGO/PEI多层膜的形貌和结构进行SEM表征后发现，PVA基底被片状褶皱覆盖，这证实了FGO层的成功组装。
由于FGO和PEI层堆积均匀，故其横截面图像分层明显。并且随着自组装层数量的增加，涂层厚度逐渐增加。此外，随着LBL沉积周期的增加，FGO/PEI涂层与PVA薄膜的相对质量增加，表明通过使用带相反电荷的悬浮液用LBL组装的涂层的有效性。
在LBL多层沉积之后，涂覆的PVA膜保持其初始强度和韧性。因此，涂层样品在弯曲或扭曲过程中表现出优异的柔韧性，甚至可以折叠成各种形状。
3 PVA/FGO复合材料和FGO多层涂层PVA的阻燃过程示意图
由自组装FGO涂层产生的焦炭富集在PVA基质的表面，而不是在整个基质上不均匀分布。 显然，涂层炭对易燃挥发物，氧气和热量的隔离作用优于单独的炭，因此在含有相同阻燃剂含量条件下，显示出优异的阻燃性。
作者简介
四川大学教授、博士生导师，四川省青年科技创新研究团队成员。主持国家863计划、自然基金项目等7项。
主要研究方向：阻燃高分子材料；高分子材料加工新技术；高性能复合材料。
主页链接：
http://pri.scu.edu.cn/shiziduiwu/jiaoxueke/1/2017-05-02/75.html
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