硅@二维过渡金属纳米复合阻燃剂的设计、结构调控及其在环氧树脂中的应用研究

It is of great theoretical and practical significant to investigate the flame retardancy and smoke suppression of epoxy resins to reduce its fire hazards and expand its application field. In order to solve the epoxy resins' shortcomings of the flammable and the release of toxic gases during combustion, silicon@two-dimensional transition metal nanocomposites flame retardants was designed, manufactured and applied in epoxy resins. By comprehensive utilizing the feature of smoke suppression and mechanical strengthening of two-dimensional transition metal and the flame-retardant properties of silicon hybrid flame retardants, the epoxy resins/silicon@two-dimensional transition metal nanocomposites with low smoke, low toxicity and excellent comprehensive performance were prepared. By selecting the types of transition metal substrate, the design of silicon hybrids flame retardant structures and the control of the doping density of transition metal substrates, the relationship between transition metal substrate types, silicon hybrid flame retardant components, doping density and epoxy resin mechanics, flame retardancy and smoke suppression properties was identified and investigated. The smoke suppression and flame retardant mechanisms of silicon@two-dimensional transition metal nanocomposites were also investigated. Finally, it provides theoretical and experimental support for the design, preparation and industrial application of silicon@two-dimensional transition metal flame retardant epoxy resins nanocomposites.

研究环氧树脂阻燃和抑烟减毒，对降低其火灾危害、扩大应用领域具有重要理论与现实意义。本项目针对环氧树脂易燃、且燃烧时释放大量有毒烟气等缺点，设计制备硅@二维过渡金属纳米复合阻燃剂，并将其应用于环氧树脂中，综合利用二维过渡金属基材的抑烟减毒、力学增强的优势和硅杂化阻燃剂的阻燃特性，制备阻燃、低烟低毒且综合性能优异的环氧树脂/硅@二维过渡金属纳米复合材料。通过对过渡金属基材种类的选择、硅杂化阻燃剂结构的设计、过渡金属基材掺杂密度的调控，探明过渡金属基材种类、硅杂化阻燃剂组份、掺杂密度与环氧树脂的力学、阻燃和抑烟气减毒性能之间的关联理论，揭示硅@二维过渡金属纳米复合阻燃剂的抑烟减毒机制和阻燃机理。最终为研发基于硅@二维过渡金属纳米复合阻燃剂阻燃环氧树脂复合材料的设计、制备和工业应用提供理论和实验支持。

本项目完成了二维过渡金属@硅杂化阻燃剂的设计制备研究，进一步获得了具有良好耐热性的基于二维过渡金属化合物、碳材料、过渡金属离子、层状过渡金属化合物和有机磷硅阻燃剂的新型纳米复合阻燃剂。研究开发出具有火灾危险性较低、环境友好的高性能环氧树脂复合材料；通过对过渡金属基材种类的选择、硅杂化阻燃剂结构的设计、有机磷系阻燃剂结构的设计、过渡金属基材的设计、一体化阻燃剂的设计、探明过渡金属基材种类、硅杂化阻燃剂组份、掺杂密度与环氧树脂的力学、阻燃和抑烟气减毒性能之间的关联理论，揭示阻燃剂的抑烟减毒机制和阻燃机理。完成对所制备的阻燃复合材料及复合的火灾危险性的全面评价。基于本项目的成果，发表了论文15篇，其中SCI论文13篇，申请国家发明专利2项，授权1项，项目实施过程中培养专业硕士研究生6名。主要内容包括以下几方面：.①针对纳米粒子如过渡金属LDH，碳纳米管、石墨烯、纳米铁、MXene等因较强的极性而与聚合物材料基体相容性差，界面间难以形成良好的结合和粘结等弊端，运用溶胶凝胶技术、分子自组装技术等方法，改善了纳米粒子与聚合物基体间的表面界面性能；.②基于分子设计和有机分子合成技术制备创系列耐热性好、阻燃效率高且与聚合物基体相容性好的新型膨胀型阻燃剂、磷-硅杂化阻燃剂，并对阻燃剂的结构进行表征，优化了合成工艺参数；.③研究层状纳米阻燃剂的高效可控制备方法，探讨了“共价键修饰”、“非共价键修饰”和“纳米杂化”界面调控技术对纳米粒子分散性的影响，制备了系列过渡金属@碳材料，碳材料@硅杂化阻燃剂，研究了阻燃剂在聚合物基体中分散性、相容性和抑烟减毒效果与纳米粒子改性修饰特性的关系；.④将协同复配和金属催化的原理和技术引入到聚合物材料研发中，研究了碳材料协同阻燃、过渡金属协同阻燃的新型技术方法，解释了纳米催化协同阻燃和阻燃协同一体化阻燃剂制备新技术；.⑤基于所制备的含磷阻燃剂、磷硅杂化阻燃剂、过渡金属@碳材料、碳材料@硅杂化阻燃剂制备聚合物复合材料，并对材料的热分解行为、阻燃性能和抑烟性能进行测试，筛选出综合性能良好的阻燃体系，系统研究了阻燃剂结构、表面改性特性对聚合物性能的影响，构建了其与阻燃性能的关系，结合其热稳定性研究及燃烧性能等，深入研究了新型阻燃剂对环氧树脂等聚合物的阻燃抑烟机理。