石墨烯接枝磷阻燃劑對碳纖維和環(huán)氧樹脂材料燃燒性能影響

??????? 碳纖維/環(huán)氧樹脂（CF/ER）復合材料被普遍適用于航天航空、汽車零配件、文體用品、海洋應用和土木建筑等構造系統(tǒng)中。但是，CF/ER復合材料的一個較大缺陷是基體樹脂在燃燒環(huán)節(jié)中可燃性和高毒性。所以，提高復合材料的耐熱穩(wěn)定性和阻燃性是該材料科學研究的一個熱點話題。很多技術人員嘗試借助改變其組成/結構或使用阻燃添加劑等方法開發(fā)設計耐燃性ER。

最近，同濟大學于濤副研究員以及研究組孫菲博士使用改進的Hummers法制取了氧化石墨，并使用氯化法將9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide(DOPO)接枝到石墨烯上，借助DOPO的高耐熱穩(wěn)定性，優(yōu)良的抗氧化性和耐水性，制取具備協(xié)同阻燃效果改性石墨烯。接著使用熱壓法將其與環(huán)氧樹脂(ER)反應，順利制取含有石墨烯-DOPO的碳纖維/環(huán)氧樹脂（CF/ER）復合材料。研究人員借助FTIR(傅里葉紅外光譜)、Ramam（拉曼光譜）、XPS（X射線光電子能譜科學研究）等對GO及graphene-DOPO的組成構造等進行科學研究，表明了DOPO基團在GO上化學接枝順利，順利制取預期的改性石墨烯。接著，研究人員使用TGA檢測、CONE檢測、UL94檢測等對復合材料的耐熱穩(wěn)定性、燃燒性能等進行反復檢測科學研究；結果顯示：具備3wt％石墨烯-DOPO的復合材料樣支梳檢測表明LOI值從18.5％提高到28％，在垂直燃燒測表明阻燃等級達到UL-94V-1rating。另外，錐形量熱測試表明含有3wt％石墨烯-DOPO的復合材料燃燒總熱釋放量（THR）從16.1減低至12kJ/g，熱釋放速度峰值（PHRR）下降顯著，表明石墨烯-DOPO在提高CF/ER復合材料的阻燃性方面的成效。另外，TGA結果顯示，伴隨石墨烯-DOPO添加量的提高，復合材料耐熱穩(wěn)定性慢慢提高，且殘?zhí)苛吭龆囡@著。

阻燃機理分析。顯示了沒有石墨烯或石墨烯-DOPO改性的聚合物材料。燃燒過程中釋放的可燃氣體和熱量可不受阻礙地通過基體，熱量很容易傳遞到達復合材料的內(nèi)部；為經(jīng)普通石墨烯摻雜的生成的復合材料，石墨烯的引入影響并促進了炭層的形成。在石墨烯上接枝DOPO后，有助于其在基體中均勻分散，提高了殘?zhí)剂俊６?，均勻的石墨?DOPO可促進生成較致密的炭層，有效阻斷了熱流的傳遞。綜上所述，穩(wěn)定的炭層和均勻分布的石墨烯-DOPO片狀結構可在燃燒過程中形成了一層保護層，能起到有效隔熱與避免與火焰接觸的作用。

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