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非共价官能化氧化石墨烯涂层:提高聚合物薄膜的热稳定性和阻燃性能

导读: 聚合物薄膜在工业和日常生活等诸多领域有重要应用,阻燃性能是聚合物薄膜的重要性能指标之一。由于石墨烯的层状结构有利于隔绝热能的释放,阻止热解产物以及氧气的扩散,因此,将石墨烯与传统阻燃物进行复合,是开发新型阻燃材料的有效途径之一。

聚合物薄膜在工业和日常生活等诸多领域有重要应用,阻燃性能是聚合物薄膜的重要性能指标之一。由于石墨烯的层状结构有利于隔绝热能的释放,阻止热解产物以及氧气的扩散,因此,将石墨烯与传统阻燃物进行复合,是开发新型阻燃材料的有效途径之一。

四川大学刘渊教授课题组提出了一种新的复合方法,即利用非共价官能化氧化石墨烯涂层来改善聚合物薄膜的阻燃性能。首先,他们利用磷-氮复合物对氧化石墨烯进行非共价改性(FGO),再通过基于静电作用的层层自组装方法,在PVA薄膜上交替沉积聚乙烯亚胺层和FGO层。

燃烧试验证实,该涂层可以大大阻碍燃烧过程中的热能传输,有涂层的PVA薄膜初始分解温度达260 °C,同时总热量释放相比纯PVA薄膜降低60%。该方案在阻燃聚合物的开发方面具有较好的实用前景。

1  非共价官能化石墨烯(FGO)的制备

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用改良Hummers法制备氧化石墨烯(GO)。在GO中引入氧基团可以有效地降低相邻碳片之间的范德华力,水分子可以轻松渗透GO的夹层。因此,借助温和的超声波,GO可以在水中形成成单层片状结构,从而GO(200 mg)可在200 mL去离子水中形成稳定的胶体悬浮液。

随后,在搅拌状态下将20mL HPTCP(200 mg)的醇溶液滴入GO悬浮液中。由于水和乙醇的极性不同,HPTCP在水中的溶解性降低。   

因此,较难溶解的HPTCP通过强π-π键的相互作用与GO连接。HPTCP分子连续渗透到GO片中有助于FGO在水中更稳定的分散,并且π-π键的相互作用可防止单层片状结构重新堆积。

2  FGO多层膜包覆的聚乙烯醇(PVA)膜的结构和性能

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将清洁过的PVA薄膜交替地浸入到带有相反电荷的PEI和FGO溶液中,使得FGO薄片在PVA薄膜表面上静电沉积。对所制备的LBL组装的FGO/PEI多层膜的形貌和结构进行SEM表征后发现,PVA基底被片状褶皱覆盖,这证实了FGO层的成功组装。

由于FGO和PEI层堆积均匀,故其横截面图像分层明显。并且随着自组装层数量的增加,涂层厚度逐渐增加。此外,随着LBL沉积周期的增加,FGO/PEI涂层与PVA薄膜的相对质量增加,表明通过使用带相反电荷的悬浮液用LBL组装的涂层的有效性。

在LBL多层沉积之后,涂覆的PVA膜保持其初始强度和韧性。因此,涂层样品在弯曲或扭曲过程中表现出优异的柔韧性,甚至可以折叠成各种形状。

3  PVA/FGO复合材料和FGO多层涂层PVA的阻燃过程示意图

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由自组装FGO涂层产生的焦炭富集在PVA基质的表面,而不是在整个基质上不均匀分布。 显然,涂层炭对易燃挥发物,氧气和热量的隔离作用优于单独的炭,因此在含有相同阻燃剂含量条件下,显示出优异的阻燃性。

(来源:石墨烯联盟)

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