前言
作為應用廣泛的熱固性樹脂之一，環氧樹脂(EP)因其優異的拉伸強度、高電絕緣性、低收縮性以及良好的化學及高溫穩定性，廣泛應用於航空航天、軌道交通及民用領域。由於EP的組成元素主要為C、H、O，導致其易燃燒，且燃燒過程中釋放出大量的熱和毒性煙氣，給人民的生命和財產安全造成重大威脅。此外，EP固化後會形成三維大分子網絡結構，具有較高的交聯密度，雖然強度得以提升，但材料的脆性增大，無法滿足材料在干摩擦條件下服役條件。因此，有必要提高EP的綜合性能，以擴展其應用領域。大量科學研究表明向EP基體中引入納米粒子，是一種直接且有效提高複合材料綜合性能的策略。
層狀硅酸鎳(NiPS)是由硅氧四面體之間通過共用3/4角頂的方式相互聯繫而組成二維延展的硅氧四面體層，其未被共用的氧原子所帶負電荷可以與金屬陽離子結合而形成硅酸鹽，此類材料可以從自然界中獲取，也可以利用硅元素與鎳離子進行人工精準合成得到高純度產物。作為二維納米材料，NiPS具有片層結構規則有序、比較面積高以及層間無機/有機功能團的可設計性和離子交換性等特點，在功能複合材料中具有重要的應用前景。
主要成果
課題組首次提出以鎳-金屬有機框架(Ni-MOF)為硬模板和鎳源，九水合硅酸鈉為硅源，氫氧化鈉為礦化劑，採用簡便的水熱法合成晶須狀層狀硅酸鎳(NiPS,圖1)，將其引入EP基體中製備複合材料，系統地探討了NiPS對複合材料力學性能、熱穩定性、阻燃性能和摩擦性能的影響規律。得到了以下主要結論：
(1)對NiPS的微觀形貌分析(圖2)表明，NiPS繼承了Ni-MOF的晶須狀形貌，並均勻地在其表面原位生長出NiPS片層(圖2c)。通過高分辨TEM對NiPS進行觀察(圖2d)，發現NiPS的層間距在1.34–1.63 nm範圍內。對NiPS進行EDS分析，發現其組成元素主要為Ni，Si和O，並且三種元素在NiPS結構中分布均勻。
(2)通過研究晶須狀NiPS的引入對複合材料極限氧指數(LOI)的影響(圖3)，發現添加量在1–5 wt%範圍內，複合材料的LOI值隨着晶須狀NiPS添加量增加而增加，當添加量為5 wt%時，複合材料的LOI達到最高(27.1%)。
(3)對複合材料進行UL-94垂直燃燒測試(圖3–4)發現，純EP的燃燒時間為224 s，且燃燒過程伴隨着熔滴現象，其燃燒後幾乎無殘炭殘留。添加晶須狀NiPS後，複合材料的燃燒時間和火焰傳播長度逐步縮短。當添加量為5 wt%時，複合材料的燃燒時間降為113 s且燃燒距離僅為25 mm，燃燒過程無熔滴現象，表明晶須狀NiPS的引入可賦予複合材料一定的自熄性能和抗熔滴性能，並有效抑制火焰的傳播。
(4)對複合材料的滑動干摩擦性能研究發現，儘管少量晶須狀NiPS的加入對複合材料摩擦係數的改善不明顯，但大幅降低了材料的磨損速率。與純EP相比，添加1 wt%的晶須狀NiPS可使磨損速率下降80%，表明晶須狀NiPS能夠顯著提高複合材料的抗磨損能力。
圖1晶須狀NiPS的製備流程圖
圖2晶須狀層狀硅酸鎳微觀形貌圖
圖3複合材料的LOI測試結果
圖4 EP/NiPS複合材料的燃燒視頻截圖:(a) 0 wt%，(b) 1 wt%，(c) 3 wt%，(d) 5 wt%
圖5晶須狀NiPS對EP複合材料滑動干摩擦性能的影響
研究亮點
創造性地使用鎳-金屬有機框架(Ni-MOF)為硬模板和鎳源，採用水熱法製備晶須狀層狀硅酸鎳。研究發現少量的晶須狀NiPS的添加在賦予環氧樹脂優異的抗磨損性能的同時可明顯改善其阻燃性能、力學性能和熱穩定性，從而實現環氧樹脂複合材料綜合性能的提升。
相關成果以「Nickel-based metal-organic framework-derived whisker-shaped nickel phyllosilicate toward efficiently enhanced mechanical, flammable and tribological properties of epoxy nanocomposites」為題發表在Frontiers of Chemical Science and Engineering上(DOI:10.1007/s11705-022-2168-9)
掃碼閱讀全文
作者及團隊介紹
聶士斌(通訊作者)，教授，博導，安徽省學術與技術帶頭人後備人選，主要研究方向為火安全材料、煤礦防滅火技術。主持國家基金2項，省級項目9項；以第一作者和通訊作者發表SCI收錄論文40餘篇；以第一發明人授權國際發明專利2項、國內發明專利8項。
徐煜軒(第一作者)，安徽理工大學2019級博士研究生，研究方向為火災防治理論與技術。
留言列表