六方氮化硼纳米片功能化及其环氧复合材料多机制协同阻燃性能研究

编号：CYYJ04830

篇名：六方氮化硼纳米片功能化及其环氧复合材料多机制协同阻燃性能研究

作者：杨旭斌

关键词： 环氧树脂; 六方氮化硼; 纳米阻燃剂; 阻燃性能; 抑烟性能;

机构： 成都大学

摘要： 环氧树脂（EP）因其优异的力学性能、耐化学腐蚀性及粘接性能,在电子封装、高端结构防护及功能涂层等领域得到了广泛应用。然而,其分子链中富含可燃基团,在热解过程中易快速释放大量可燃挥发性产物,并伴随剧烈热释放和高浓度烟毒气体的生成,尤其在高热通量火灾工况下,火灾初期热积累与烟毒扩散迅速,严重制约了材料的长效防护能力。针对传统阻燃体系主要依赖单一抑热或单一成炭机制、难以兼顾阻燃、抑烟及炭层稳定性的局限性,本论文围绕热质传递调控、凝聚相催化成炭和磷氮膨胀阻燃的多机制协同设计思路,以六方氮化硼（h-BN）为二维隔热骨架,系统构建磁响应取向复合阻燃体系,并通过催化中心与磷氮结构的逐级升级,实现对EP燃烧全过程的多层级调控,从而协同提升其阻燃性能、抑烟性能与炭层结构稳定性。为验证上述多机制协同设计思路并探究其演变规律,本论文主要开展了以下几个方面的研究工作: 首先,围绕凝聚相催化成炭与磷氮膨胀阻燃协同作用,构建了以单金属氧化物为催化组分的h-BN-Co3O4@PATP体系。该体系通过在h-BN表面原位负载Co3O4纳米颗粒,并进一步引入富含磷氮元素的PATP,使填料同时具有片层阻隔、催化成炭和磷氮调控作用。实验结果表明,h-BN-Co3O4@PATP/EP的峰值热释放速率（p HRR）和总热释放量（THR）分别降至821.2 k W·m-2和27.4 MJ·m-2,峰值烟释放速率（PSPR）和总烟释放量（TSP）分别降至0.111 m2·s-1和4.67 m2,残炭率提高至11.7 wt.%。这说明Co3O4与PATP的引入能够促进EP在燃烧过程中的炭层形成,并在一定程度上降低热释放和烟释放。不过,从结构调控角度来看,h-BN片层在基体中仍主要呈随机分散状态,难以形成连续取向的隔热屏障,因此其热质传递阻隔能力仍有进一步提升空间。 随后,在上述研究基础上引入磁场诱导取向策略,制备了磁响应型h-BN-Fe3O4@PATP体系。Fe3O4的负载不仅提供了催化成炭位点,也赋予h-BN片层磁响应能力,使其能够在外加磁场作用下由无序分散转变为相对有序的取向排列。该取向结构有利于在EP基体中形成连续的二维隔热通道,延长热量、氧气和裂解挥发物的迁移路径。结合Fe3O4的催化作用和PATP的促成炭效应,h-BN-Fe3O4@PATP/EP（MF）的p HRR、THR、PSPR和TSP进一步降低至794.9 k W·m-2、26.4 MJ·m-2、0.107 m2·s-1和4.3 m2,残炭率提高至13.3 wt.%。这些结果表明,磁场取向能够进一步放大h-BN的片层屏蔽作用,并改善复合材料的燃烧行为。但与此同时,单一金属氧化物在高热流条件下的催化效率和对炭层稳定性的持续调控能力仍然有限。 最后,针对单金属催化活性不足以及阻燃体系中磷氮结构贡献有限的问题,进一步从催化中心和界面结构两方面进行优化,构建了Co/Fe双金属协同和磁场取向共同作用的h-BN-Co Fe2O4@PEA（MF）体系。与纯EP相比,该体系的p HRR和THR分别降低45.6%和34.2%,PSPR和TSP分别降低38.5%和52.4%,残炭率提高96.2%,表现出更好的热释放抑制、烟释放控制和成炭能力。其性能提升主要来源于多种作用的配合:在凝聚相中,Co/Fe双金属位点能够促进EP裂解产物脱氢、交联和炭化,PEA提供的磷氮组分有助于形成更加稳定的膨胀炭层,而磁场诱导取向的h-BN片层则为炭层提供连续支撑和阻隔路径;在气相中,PEA分解释放的含磷、含氮活性组分可参与自由基捕获,并削弱火焰区的链式反应。由此可见,取向屏障、双金属催化成炭和磷氮膨胀阻燃之间的相互配合,是该体系有效降低EP热释放和烟释放的主要原因。