阻燃环氧树脂/功能化石墨烯纳米复合材料的设计、性能及机理研究

Aiming to overcome the current problems of flammable, toxic gases and smoke yielding from combustion, low flame retardant efficiency, and deteriorated mechanical and thermal properties of epoxy resins, some reactive-type flame retardants and functionalized graphene are synthesized and incorporated into epoxy based on the combination of molecule design, nanocomposite technology, synergistic flame retardant and catalytic decontamination. Through optimizing the experimental conditions, intrinsic flame retardant epoxy/functionalized graphene nanocomposites with excellent fire resistance, mechanical properties and low toxic gases and smoke are obtained. The effect of flame retardants and functionalized graphene on the thermal, flame retardant and mechanical properties of the epoxy nanocomposites is investigated; moreover, the influence of interfacial behaviors and dispersion state of functionalized graphene on the fire resistance and mechanical properties of the epoxy nanocomposites is also studied. The internal relationship among the composition, structure and properties, and the reinforcement mechanism of functionalized graphene are clarified. The gas and condensed phase products of the epoxy materials obtained during pyrolysis and combustion will be evaluated to explore the flame retardant mechanism. The influence of the type of epoxy,curing agent and functionalized graphene, temperature, concentration of oxygen and atmosphere on the formation of toxic degradation products is investigated, which is associated to the micro-structure and thermal degradation mechanism of epoxy nanocomposites. The implementation of this project will pave the way for the theoretical and experimental basis for the design and preparation of epoxy nanocomposites with outstanding flame retardancy, low toxicity and low smoke density.

本项目针对环氧树脂存在易燃、燃烧过程中释放出大量有毒有害烟气以及阻燃效率低、力学及耐热性能下降等缺点，结合分子设计、纳米复合、协效阻燃及催化减毒的原理，设计合成反应型阻燃固化剂及功能化石墨烯，优化合成工艺条件，制备出具有优良的阻燃和力学性能、低烟低毒的阻燃环氧树脂/功能化石墨烯纳米复合材料。通过研究不同组成结构的阻燃剂和功能化石墨烯对复合材料的热稳定性、阻燃性能的影响，研究功能化石墨烯的界面特性和分散形貌对材料的阻燃和力学性能的影响，探讨材料组成、结构与性能之间的关系，揭示材料的增强机理；研究材料的热解、燃烧过程中气相、凝聚相产物生成规律，揭示阻燃机理；研究环氧单体、阻燃固化剂及功能化石墨烯的类型，以及温度和气氛等因素对材料热解、燃烧过程中毒性气体生成规律的影响，揭示材料燃烧毒性与微观结构组成、热解燃烧机制之间的关系，为制备低烟低毒的阻燃环氧树脂纳米复合材料提供理论依据和实验基础。

本项目针对环氧树脂存在易燃、燃烧过程中释放出大量有毒有害烟气以及阻燃效率低、力学及耐热性能下降等缺点，结合分子设计、纳米复合、协效阻燃及催化减毒的原理，设计合成反应型阻燃固化剂及功能化石墨烯，优化合成工艺条件，制备出具有优良的阻燃和力学性能、低烟低毒的阻燃环氧树脂/功能化石墨烯纳米复合材料。通过研究不同组成结构的阻燃剂和功能化石墨烯对复合材料的热稳定性、阻燃性能的影响，研究功能化石墨烯的界面特性和分散形貌对材料的阻燃和力学性能的影响，探讨材料组成、结构与性能之间的关系，揭示材料的增强机理；研究材料的热解、燃烧过程中气相、凝聚相产物生成规律，揭示阻燃机理；研究结果表明，含磷氮的新型的超支化聚(氨甲基氧化膦-胺) (HPAPOA) 被用作环氧树脂的固化剂时，热固性环氧树脂的玻璃化转变温度和冲击强度得到了显著提高。同时，火安全指标包括阻燃性、烟气和毒性抑制都得到提升(仅仅1.0 wt %的添加量)。阐明含过渡金属氧化物的二维石墨烯的催化协同机制，并揭示其阻燃机理。研究表明Ce-MnO2-GNS纳米杂化体能显著提升环氧树脂的热稳定性以及残留炭渣量，降低材料的热释放以及烟气毒性。添加Ce-MnO2-GNS纳米杂化体能显著降低环氧树脂在热解过程中的CO、碳氢化合物等气体的释放速率，这归功于MnO2对CO的催化氧化作用，及其与石墨烯的物理屏障作用之间的协同效应。具有催化活性的Ce-MnO2导致大量低碳数的热解产物的形成，这在金属氧化物存在的情况下很容易被催化炭化。利用方便快捷的电化学剥离法实现功能化石墨烯的大量制备，在此过程中将植酸同时作为绿色电解质和表面功能化改性剂。由于植酸分子与石墨烯表面间存在相互作用，其在石墨剥离的过程中可以成功的附着在所制备的石墨烯表面，从而可以简单高效地制备出阻燃改性的石墨烯。