河海大学《Small》：石墨烯/SiO2/FeHP复合材料，用于阻燃、强、导热但电绝缘的环氧纳米复合材料

成果简介

卓越的阻燃性、机械性能、介电/绝缘性能和导热性（λ）组合对于环氧树脂（EP）在高端工业中的实际应用至关重要。迄今为止，要在环氧树脂中实现这样的性能组合仍然是一个巨大的挑战，因为它们的调节机制各不相同，甚至相互排斥。

本文，河海大学许航 教授等研究人员在《Small》期刊发表名为“Heterostructured Graphene@Silica@Iron Phenylphosphinate for Fire-Retardant, Strong, Thermally Conductive Yet Electrically Insulated Epoxy Nanocomposites”的论文，研究通过在石墨烯（G）表面原位固定二氧化硅（SiO2）和苯膦酸铁（FeHP），制备出一种多功能添加剂（G@SiO2@FeHP）。得益于 G、SiO2和 FeHP的协同作用，添加1.0 wt% 的G@SiO2@FeHP使EP达到垂直燃烧（UL-94）V-0 级，极限氧指数（LOI）为 30.5%。

此外，由于G@SiO2@FeHP 的凝结相功能，制备的 EP 纳米复合材料的热释放和烟雾产生都得到了显著抑制。添加 1.0 wt% 的G@SiO2@FeHP 还使 EP 纳米复合材料的拉伸强度、拉伸模量和冲击强度分别提高了 44.5%、61.1% 和 42.3%。这项工作为多功能 EP 材料的开发提供了一种综合策略，从而促进了其高性能应用。

图文导读

图1、G@SiO2@FeHP 的合成流程及表征

图2、结构特征。a） G、SiO2、FeHP和G的FTIR光谱、b）XRD图谱和c）XPS测量光谱@SiO2@FeHP; d） SiO2和G的高分辨率Si2p XPS光谱@SiO2@FeHP; 以及FeHP和G的高分辨率e）P2p和f）Fe2p光谱@SiO2@FeHP.

图3、阻燃性。a） EP及其纳米复合材料的LOI值；b）EP和c）EP的数码照片/1.0G@SiO2@UL-94试验期间的FeHP；d） EP及其纳米复合材料的热释放速率，e）总释放速率，f）CO产生速率和g）TSP曲线；h） EP的PHRR减少/1.0G@SiO2@FeHP纳米复合材料和以前的阻燃EP材料作为达到UL-94 V-0等级所需阻燃剂含量的函数；以及i）EP的THR和TSP变化/1.0G@SiO2@FeHP纳米复合材料和先前报道的阻燃EP材料（填料添加量：1.0wt%）。

图4、阻燃剂的作用模式。a) 锥形量热仪测定后残炭的数字图像；b) EP、c) EP/1.0G@SiO2@FeHP 和 d) EP/1.0G/SiO2/FeHP 残炭的扫描电镜图像；e) EP/1.0G@SiO2@FeHP 炭的 EDS 图谱；f) EP、g) EP/1.0G@SiO2@FeHP 和 h) EP/1.0G/SiO2/FeHP 炭的拉曼光谱。0G@SiO2@FeHP；f) EP、g) EP/1.0G@SiO2@FeHP 和 h) EP/1.0G/SiO2/FeHP 炭的拉曼光谱；以及 i)G@SiO2@FeHP 对 EP 的拟议阻燃作用模式。

图5、a) EP 和 EP 纳米复合材料的拉伸应力链曲线、b) 拉伸强度、c) 断裂伸长率、d) 拉伸模量和 e) 冲击强度；f) EP/1. 0G@SiO2@FeHP 纳米复合材料与之前报道的 UL-94 V-0 级 EP 复合材料的拉伸强度和冲击强度变化的比较；以及 g) EP、h) EP/0.5G@SiO2@FeHP、i) EP/1.0G@SiO2@FeHP、j) EP/1.0G@SiO2、k) EP/1.0G@FeHP 和 l) EP/1.0G/SiO2/FeHP 的断裂表面的 SEM 图像。

图6、介电和导热性能

小结

本文通过在 G 表面原位自组装SiO2和 FeHP，成功合成了 G@SiO2@FeHP，然后将其引入 EP 中，赋予其非凡的阻燃性能和机械性能。只需 1.0 wt% 的 G@SiO2@FeHP，制成的 EP/1.0G@SiO2@FeHP 就能通过 UL-94 V-0 评级，LOI 为 30.5%。此外，与 EP 相比，EP/1.0G@SiO2@FeHP 的 PHRR、THR、PCOPR 和 TSP 值分别降低了 41.4%、22.5%、34.4% 和 20.6%。EP/G@SiO2@FeHP 具有优异的阻燃性能是由于结合了 FeHP 的催化碳化效应和G@SiO2 的物理阻隔效应。

此外，1.0 wt%G@SiO2@FeHP 使 EP/1.0G@SiO2@FeHP 的拉伸强度、拉伸模量和冲击强度分别增加到 62.0 MPa、2.9 GPa 和 11.1 kJ m-2，增幅分别为 44.5%、61.1% 和 42.3%。机械性能的提高主要归功于 FeHP、SiO2和 G 的协同作用。由此产生的 EP/1.0G@SiO2@FeHP 纳米复合材料还具有良好的电绝缘和介电性质，并改善了导热性能。总之，EP/1.0G@SiO2@FeHP 纳米复合材料出色的综合性能使其在现代工业中的应用无处不在。

文献：https://doi.org/10.1002/smll.202310724