南昆大王浩教授/中科大余彬教授/杭师大汤龙程教授《ACS Nano》：氧化石墨烯基超分子纳米防火/预警材料

2022-12-08 来源：高分子科技

火灾防控一直是人类面临的一项重大难题。尤其在现代社会的背景下，随着城市化建设的快速推进，高层建筑给消防安全与火灾防控带来了前所未有的挑战。近几年，基于氧化石墨烯纳米片构筑阻燃和预警一体化的传感器材料（GO-FAS）或防火涂层是一大研究热点。然而，已报道的上述材料在力学、耐溶剂、阻燃、耐高温和预警响应等性能上难以做到同时兼顾，设计和开发综合性能优异的传感器材料或防火涂层仍存在诸多挑战和难点。

近日，澳大利亚南昆士兰大学王浩教授、中国科学技术大学余彬教授和杭州师范大学汤龙程教授合作，利用超分子三聚氰胺二硼酸盐（M·2B）与氧化石墨烯纳米片结合形成超分子纳米交联网络，并通过凝胶干燥法制备得到了综合性能优异的复合薄膜/涂层材料（GO/MB）。该材料不仅拥有良好的力学强度和耐溶剂/水性，同时还具备优异的阻燃/耐高温性能和快速/长时间持续响应的火灾预警功能，展示了良好的火灾安全防护与预警领域的应用前景。相关研究以题为“Biomimetic, Mechanically Strong Supramolecular Nanosystem Enabling Solvent Resistance, Reliable Fire Protection and Ultralong Fire Warning”发表在国际著名期刊《ACS Nano》期刊上。该论文的第一作者为南昆士兰大学博士研究生曹承飞，王浩教授、余彬教授和汤龙程教授为论文的共同通讯作者。

图1. GO/MB薄膜材料的性能展示以及火安全应用示意图

目前已报道的大多数GO-FAS材料存在制备过程繁琐和涉及有机溶剂使用等问题。在本工作中，通过利用超分子三聚氰胺二硼酸盐（M·2B）与氧化石墨烯纳米片结合形成超分子纳米交联网络，采用简单的凝胶干燥自组装策略制备得到GO/MB复合薄膜。由于GO/MB网络存在多重化学键作用，薄膜显示出极其致密的类珍珠母的多层次的微/纳结构，同时展示出了优异的力学柔韧性，可以塑造成复杂的纸飞机结构。此外，即使在酸/碱性溶液浸泡和水浴超声条件下，复合薄膜仍表现出优异的结构稳定性。

图2. 基于凝胶干燥策略制备GO/MB薄膜的过程示意图以及薄膜的微观结构和力学柔韧性展示

基于GO热还原引发的电阻转变机制，GO/MB薄膜可应用于火灾早期预警。复合薄膜在火焰进攻后1 s内就可触发报警灯，并且由于出色的耐高温性/热稳定性，即便在火焰持续进攻1200 s后仍能保持预警信号的稳定输出。更重要的是，即使在酸溶液处理后，薄膜仍具有稳定可靠的火灾预警表现，并且除了在火焰条件下，GO/MB复合薄膜也可以实现高温预警（300℃）。通过与其它已报道相似的GO-FAS体系对比，GO/MB拥有可长时间持续输出预警信号的能力，展示了在火灾早期预警方面的潜在应用。

图3. GO/MB薄膜材料用于火灾早期预警

除了作为火灾预警传感器材料，GO/MB网络还可作为防火涂层应用于柔性聚氨酯泡沫材料。结果表明，GO/MB阻燃涂层可有效提升聚氨酯泡沫的力学压缩强度，并且该涂层在水溶液里仍然具有良好的结构稳定性。更重要的是，聚氨酯泡沫的阻燃性能显著提升。相关测试表明，涂覆了30wt.% GO/MB涂层的泡沫样品PU-GM30% 的LOI可由18.2提升至26.8%，在燃烧测试中可实现自熄。锥形量热测试结果显示，相比于纯的泡沫样品，其热释放速率峰值（pHRR）和总烟释放率（TSP）可分别降低~54%和~56%，展示了其作为理想防火涂层材料的应用前景。

图4.GO/MB阻燃涂层应用于聚氨酯软泡

相关论文信息：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c08368

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（责任编辑：xu）

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