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南昆大王浩教授/中科大余彬教授/杭師大湯龍程教授《ACS Nano》：氧化石墨烯基超分子納米防火/預警材料
2022-12-08  來源：高分子科技

  火災防控一直是人類面臨的一項重大難題。尤其在現代社會的背景下，隨著城市化建設的快速推進，高層建筑給消防安全與火災防控帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。近幾年，基于氧化石墨烯納米片構筑阻燃和預警一體化的傳感器材料（GO-FAS）或防火涂層是一大研究熱點。然而，已報道的上述材料在力學、耐溶劑、阻燃、耐高溫和預警響應等性能上難以做到同時兼顧，設計和開發(fā)綜合性能優(yōu)異的傳感器材料或防火涂層仍存在諸多挑戰(zhàn)和難點。



  近日，澳大利亞南昆士蘭大學王浩教授、中國科學技術大學余彬教授和杭州師范大學湯龍程教授合作，利用超分子三聚氰胺二硼酸鹽（M·2B）與氧化石墨烯納米片結合形成超分子納米交聯網絡，并通過凝膠干燥法制備得到了綜合性能優(yōu)異的復合薄膜/涂層材料（GO/MB）。該材料不僅擁有良好的力學強度和耐溶劑/水性，同時還具備優(yōu)異的阻燃/耐高溫性能和快速/長時間持續(xù)響應的火災預警功能，展示了良好的火災安全防護與預警領域的應用前景。相關研究以題為“Biomimetic, Mechanically Strong Supramolecular Nanosystem Enabling Solvent Resistance, Reliable Fire Protection and Ultralong Fire Warning”發(fā)表在國際著名期刊《ACS Nano》期刊上。該論文的第一作者為南昆士蘭大學博士研究生曹承飛，王浩教授、余彬教授和湯龍程教授為論文的共同通訊作者。 


圖1. GO/MB薄膜材料的性能展示以及火安全應用示意圖


  目前已報道的大多數GO-FAS材料存在制備過程繁瑣和涉及有機溶劑使用等問題。在本工作中，通過利用超分子三聚氰胺二硼酸鹽（M·2B）與氧化石墨烯納米片結合形成超分子納米交聯網絡，采用簡單的凝膠干燥自組裝策略制備得到GO/MB復合薄膜。由于GO/MB網絡存在多重化學鍵作用，薄膜顯示出極其致密的類珍珠母的多層次的微/納結構，同時展示出了優(yōu)異的力學柔韌性，可以塑造成復雜的紙飛機結構。此外，即使在酸/堿性溶液浸泡和水浴超聲條件下，復合薄膜仍表現出優(yōu)異的結構穩(wěn)定性。 


圖2. 基于凝膠干燥策略制備GO/MB薄膜的過程示意圖以及薄膜的微觀結構和力學柔韌性展示


  基于GO熱還原引發(fā)的電阻轉變機制，GO/MB薄膜可應用于火災早期預警。復合薄膜在火焰進攻后1 s內就可觸發(fā)報警燈，并且由于出色的耐高溫性/熱穩(wěn)定性，即便在火焰持續(xù)進攻1200 s后仍能保持預警信號的穩(wěn)定輸出。更重要的是，即使在酸溶液處理后，薄膜仍具有穩(wěn)定可靠的火災預警表現，并且除了在火焰條件下，GO/MB復合薄膜也可以實現高溫預警（300℃）。通過與其它已報道相似的GO-FAS體系對比，GO/MB擁有可長時間持續(xù)輸出預警信號的能力，展示了在火災早期預警方面的潛在應用。 


圖3. GO/MB薄膜材料用于火災早期預警


  除了作為火災預警傳感器材料，GO/MB網絡還可作為防火涂層應用于柔性聚氨酯泡沫材料。結果表明，GO/MB阻燃涂層可有效提升聚氨酯泡沫的力學壓縮強度，并且該涂層在水溶液里仍然具有良好的結構穩(wěn)定性。更重要的是，聚氨酯泡沫的阻燃性能顯著提升。相關測試表明，涂覆了30wt.% GO/MB涂層的泡沫樣品PU-GM30% 的LOI可由18.2提升至26.8%，在燃燒測試中可實現自熄。錐形量熱測試結果顯示，相比于純的泡沫樣品，其熱釋放速率峰值（pHRR）和總煙釋放率（TSP）可分別降低~54%和~56%，展示了其作為理想防火涂層材料的應用前景。 


圖4.GO/MB阻燃涂層應用于聚氨酯軟泡


  相關論文信息：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c08368

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（責任編輯：xu）
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