制备磷/氮共掺杂石墨烯的环氧基复合材料

图1. 研究者的探索流程图图3.（a，b）氮气和（c，d）空气气氛下纯EP和其复合材料的TGA和DTG曲线图5.（a）纯E或EP / WrGO（b）EP / PN-rGO阻燃机理的示意图

近年来，二维（2D）单片层sp 2 - 杂化碳晶格结构的还原性氧化石墨烯（rGO）被广泛应用于电容器，传感器，催化剂和电/导热等复合材料。最近，rGO在聚合物阻燃领域的潜在应用愈发引起人们的关注，缺点是rGO与聚合物基质相容性差，热氧化稳定性差，成炭化能力低。

对此，华中科技大学周兴平教授及其课题组冯跃战博士制备新型磷/氮改性石墨烯（PN-rGO）以提高rGO的热氧化稳定性，并用于环氧基树脂阻燃研究，发现PN-rGO具有良好的阻燃性能和抑烟性。

研究者按以下流程进行探究：

•磷/氮共同掺杂改性石墨烯（PN-rGO）通过扩展性绿色环保水热法和微波工艺合成。

•将PN-rGO用作改性添加剂，有效提高环氧树脂的阻燃性和抑烟性。

•通过燃烧分析、炭层等各方面的分析，研究气相、凝聚相的阻燃机理。

•得出结论：磷/氮共掺杂改性石墨烯作为阻燃添加剂可有效提升材料的阻燃性能。

研究者首先采用Hummers法从天然石墨中制取氧化石墨烯（GO），分别采用将磷酸（5g），PPA、尿素、GO等通过超声水热处理和微波处理等制备PN-rGO粉末；此外，GO不添加其他改性剂仅微博处理制备微波还原氧化石墨烯WrGO；再通过PVP作为表面活性剂以改善PN-rGO在有机溶剂中的分散性；最后将改性后的PN-rGO按一定比例引入环氧树脂制备复合材料EP / PN-rGO-x，其中x代表PN-rGO含量。

图2.（a）制备PN-rGO的示意图。 （b）不同分散形态的PN-rGO照片（c）PN-rGO和PVP之间的界面相互作用的示意图

研究者对复合材料的热稳定性、燃烧性能等进行研究分析，C-N键的生成、焦磷酸酯和偏磷酸酯基团等的引入等有效提高了rGO的热氧稳定性，制备的EP / PN-rGO复合材料热氧稳定性也相应提高，同时促进了EP成炭性能的提升。

对EP / PN-rGO复合材料的燃烧性能进行测试评估分析，结果表明PN-rGO的引入可同时提高材料的阻燃性能和抑烟性能，其中，相比于纯EP,含5wt％PN-rGO的EP基复合材料的PHRR，THR和TSP值分别下降了30.9％，29.3％和51.3％。

图4. EP及其复合材料的（a）热释放速率，（b）总热释放量，（c）烟雾产生率和（d）总烟气产生与时间的关系曲线

最后，研究者对材料的阻燃性能和抑烟性能的改善机理进行总结分析： PN-rGO的引入一方面可增加熔体粘度，另一方面形成含PN-rGO的密集炭层，主要起物理隔绝作用，而磷/氮的掺杂、引入、改性促进了更稳定的基团的生成，物理隔绝作用得到增强。

整体来说，在这项工作中，研究者采用绿色水热、微波处理等方式制备磷和氮共掺杂rGO（PNrGO）还是很成功的。通过将吡咯-N，吡啶N，季N，焦磷酸和偏磷酸等改性引入，将氮原子和磷原子掺杂到石墨晶格中，共混添加的方式PN-rGO被引入到EP中很成功的提升了符合材料的阻燃性和抑烟性能。

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