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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。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，設計和開發綜合性能優異的傳感器材料或防火涂層仍存在諸多挑戰和難點。

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，同時還具備優異的阻燃/耐高溫性能和快速/長時間持續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異的結構穩定性。

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內就可觸發報警燈，并且由于出色的耐高溫性/熱穩定性，即便在火焰持續進攻1200 s后仍能保持預警信號的穩定輸出。更重要的是，即使在酸溶液處理后，薄膜仍具有穩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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