鑽石舞台

1. 水溶性多氨基小分子HCPA在氧化石墨烯(GO)網絡中可發揮「一石三鳥」的多重作用(交聯劑、阻燃劑和還原劑)。

澳大利亞南昆士蘭大學王浩教授團隊與中國科學技術大學余彬研究員合作，利用了水溶性多氨基小分子HCPA改性氧化石墨烯(GO)納米片，得到了綜合性能優異的氧化石墨烯基智能火災預警/防火材料(GO/HCPA)。基於「一石三鳥」的設計思路，HCPA在GO網絡中扮演三重角色(交聯劑、阻燃劑和還原劑)。製備得到的GO/HCPA薄膜網絡的力學性能顯著提高，相比於純的GO薄膜，優化後的複合薄膜的拉伸強度和韌性分別提高了~2.3倍和~5.7倍。更重要的是，基於P/N摻雜以及對GO網絡的促進熱還原作用，GO/HCPA展示了優異的高溫耐受性(~1200 ℃火焰進攻60 s後，結構仍保持完整)、超快的火災預警響應時間(~0.6 s)和超長持續預警時間(>600 s)，綜合性能明顯優於已報道的大多數GO-FAS材料。此外，基於GO/HCPA網絡構築具有高界面粘附性和疏水功能的防火塗層能夠極大提升硬質聚氨酯泡沫的阻燃性能，製備得到的阻燃泡沫的熱釋放速率峰值(pHRR)可降低約60%，極限氧指數(LOI)可達36.5%，展示了在火安全領域良好的應用前景。該工作為設計和製備理想的FAS材料和防火塗層提供了新的思路。

目前已報道的大多數GO-FAS材料存在製備過程繁瑣和涉及有機溶劑使用等問題。如圖1a所示，在本工作中，基於「一石三鳥」的設計思路，通過引入水溶性多氨基小分子HCPA(Adv. Mater. 2021, 2105829)修飾GO納米片，採用簡單的低溫誘導自組裝策略製備得到GO/HCPA複合薄膜。GO/HCPA複合薄膜展示出了優異的力學柔韌性，可以塑造成複雜結構的紙飛機，並且在大幅度彎曲下薄膜結構不會出現破壞，經歷四次摺疊後仍能回復原始狀態(圖1b)。由於獨特的六元環和多氨基結構，HCPA可與GO納米片形成多重化學鍵作用，薄膜側面的SEM圖像顯示出極其緻密的類珍珠母的多層結構，表面EDS能譜分析也顯示複合網絡中均勻分布的C、O、P和N元素(圖1c-f)。

II GO/HCPA網絡的多重作用分析與力學性能

III GO/HCPA薄膜的阻燃性能及其阻燃/膨脹機制分析

IV GO/HCPA薄膜應用於火災早期預警

基於GO熱還原引發的電阻轉變機制，GO/HCPA薄膜可應用於火災早期預警。圖4a和b分別為純GO薄膜和G₁H₀.₅₀複合薄膜的火災預警探測過程，可以看出，由於不理想的阻燃性和熱穩定性，純GO薄膜在酒精燈火焰的進攻下極易分解和結構破壞，無法提供有效的火災早期預警信號；與之相比，G₁H₀.₅₀複合薄膜在火焰進攻後1 s內就可觸發報警燈，並且由於出色的熱穩定性，即便在火焰持續進攻600 s後仍能保持預警信號的穩定輸出。更重要的是，除了在火焰條件下，G₁H₀.₅₀複合薄膜也可以實現高溫預警，並且由於HCPA的促進還原作用，GO網絡的熱還原過程可有效縮短，最終可以獲得理想的火焰/高溫預警響應時間(圖3c-f)。通過與其它已報道相似的GO-FAS體系對比，GO/HCPA表現了更加靈敏的高溫預警響應行為以及更低的溫度探測下限(150℃)，展示了在火災早期預警上的潛在應用。

V GO/HCPA防火塗層應用於易燃聚合物泡沫

基於GO/HCPA,還可以通過引入水性多羥基共聚物Poly(VS-co-HEA)(ACS Nano 15, 11667–11680)和全氟硅烷偶聯劑TFTS來構築具有高粘附性和疏水功能的防火塗層並應用於硬質聚氨酯泡沫材料的阻燃(圖5a)。首先用Poly(VS-co-HEA)對硬質聚氨酯泡沫表面進行預處理，以此可以有效改善泡沫基體表面與GO/HCPA塗層的界面粘附性，表面的疏水化處理保證了防火塗層在複雜環境下使用的可靠性。圖5b為用於評估PU泡沫樣品阻燃性的自搭建裝置示意圖，酒精燈火焰下泡沫樣品下方持續對樣品進行引燃，泡沫樣品上方的IR攝像機記錄樣品上表面溫度的變化；通過監測和對比火焰持續進攻20分鐘內不同泡沫樣品上表面溫度的變化，可以看出塗覆了防火塗層的泡沫樣品上表面溫度大幅度降低，側面反應了泡沫的難燃性，並且隨着塗層含量的增加泡沫的難燃性會進一步增加(圖5c, e和f)；圖5d 為塗覆不同含量塗層的泡沫樣品的LOI，相比於純的泡沫樣品18.4%的LOI，塗覆了4mg/cm² GO/HCPA塗層含量的FRPU-4.0的LOI可提升至36.5%。錐形量熱測試結果表明，FRPU-4.0的熱釋放速率峰值也大幅降低(由323 kW/m²降至130 kW/m²,降低約60%)，並且燃燒後的殘渣質量也由16.7%提升至45.4%(圖5g和h)。

VI 與其它已報道的不同阻燃泡沫體系的性能對比

將該工作中基於GO/HCPA複合塗層製備得到的阻燃聚氨酯泡沫FRPU體系與其它已報道的相似的阻燃聚氨酯泡沫體系進行阻燃性能的比較(圖6)。結果表明，該工作中製備的FRPU具有明顯優勢。比如，熱釋放速率峰值的降低和極限氧指數都優於其它泡沫體系。此外，除了硬質聚氨酯泡沫，該防火塗層還可以應用在其它易燃基材(開孔的聚合物泡沫和天然木材)，展示了作為防火塗層良好的應用前景。