随着化石能源的减少，以及其使用对环境造成的污染，可再生和可降解的植物纤维复合材料引起了人们的广泛关注。以植物纤维为原料，通过液体机械发泡制成的植物纤维海绵（PFS），由于其具有轻质多孔、导热性低和吸音效果好等优点，在家具、保温材料、包装缓冲和绝缘材料等领域中具有广泛的应用前景。但是，天然植物纤维的易燃性，导致PFS非常易燃，这将会大大限制它在实际生活中的应用。

  众所周知，阻燃剂可以通过化学或物理作用，在着火、热解或火焰蔓延期间干扰燃烧过程，从而改善材料的阻燃性能。研究发现，在PFS制备的流程中，添加阻燃剂可有效提高它们的耐火性，同时保持PFS原有的轻质多孔等特性。含卤素和磷的有机阻燃剂（如氯化石蜡）可以通过有效降低材料热释放速率（HRR）来提高PFS的耐火性，但是卤素产品在燃烧过程中会产生一些有毒物质，在一定程度上对环境造成污染，甚至危害到人们的健康。相比之下，绿色环保的无机阻燃剂（如硅、硼、钛和铝等化合物）更适合可持续发展的需求。目前，大多数传统无机阻燃剂主要是通过降低复合材料在燃烧过程中的HRR来改善其阻燃性能。由于它们容易在着火点附近产生热量集中，导致其在改善点火性能（例如，延迟点火时间等）方面的作用效果有限。随着科技的进步，我们生活中已经拥有一套比较完善的灭火系统，以保证火灾现场的灭火效率。这意味着提高复合材料的点火温度和延长其点火时间，可以阻止火灾的快速蔓延，这有利于人员的疏散，确保人们的生命和财产安全。因此，寻找一种具有较高热导率，能够让复合材料内部热量有效分散，以降低其峰值温度和改善其点火性能的阻燃剂是大势所趋。

  基于此，福建工程学院陈汀杰副教授课题组结合多年来在植物纤维多孔材料研究方面积累的丰富经验和取得的丰硕成果，他们开发了一种具有各向异性导热的六方氮化硼(h-BN)油墨，将其作为阻燃剂，通过简单而有效的浸涂方法，制备得到了耐火性能优异的h-BN改性PFS（定义为PFS@h-BN）（图1）。

图1.（a）h-BN油墨和（b）PFS@h-BN.的制备流程示意图

  课题组制备得到的h-BN油墨可以很好的保存，可以被用于丝网印刷、刮涂和喷涂等工艺加工。其中，刮涂得到的薄膜可以与基体分离，制备具有高导热的自支撑h-BN薄膜（图2）。

图2.（a-b）h-BN油墨；(c-d）剥离后h-BNNS的TEM图像；(e-g）h-BN油墨在PET基材上的丝网印刷和刮涂；(h-i）h-BN/PU自支撑膜的表征及应用；(j-k）h-BN油墨在LED灯上的应用。

  将其作为阻燃剂，通过浸涂工艺处理PFS，h-BN纳米片可以均匀地沉积在植物纤维的表面，从而形成良好的保护屏障，有效提高材料的极限氧指数（LOI），延长其点燃时间（TTI）和爆燃时间（TTF），降低相应的HRR和烟气释放总量（TSR）。与PFS相比，PFS@h-BN的LOI值提高了29.0%，TTI延长了四倍，TTF延长了500 s，HRR峰值降低了21.0%，TSR降低了35.1%。在可燃性探索实验中，研究发现PFS在1 s内瞬间被点燃，40 s后只剩下燃烧后的黑色碳物质。而经h-BN处理后的PFS可以在火焰中承受90 s而不被点燃，表现出了优异的防火性能（图3）。

图3. h-BN油墨处理过的PFS、木材、PET和纸张的可燃性试验。

  通过机理分析得出，PFS@h-BN表现出优异防火性能主要是得益于包裹在植物纤维表面具有高度各向异性导热性能的h-BN薄膜层，它可以使材料表面及内部的热均匀且快速地扩散，避免材料集中过热加速燃烧。总之，该工作表明h-BN油墨不仅可以改善PFS的阻燃性能，还能赋予材料较好的压缩强度（与PFS相比，压缩强度增大了1.47 MPa）。这表明PFS@h-BN材料能够满足环保、规模化生产、良好的防火安全和机械性能的要求，在安全、节能建筑应用结构材料方面具有一定的应用前景。

  相关工作近期以“Fire-resistant plant fiber sponge enabled by highly thermo-conductive hexagonal boron nitride ink”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。论文第一作者和通讯作者为福建工程学院材料科学与工程学院陈汀杰副教授。

  文献链接：Fire-resistant plant fiber sponge enabled by highly thermo-conductive hexagonal boron nitride ink. Chemical Engineering Journal 2022, 429, 132135. DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132135

  全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721037141