北理工課題組在金屬有機(jī)框架阻燃劑制備技術(shù)方面取得重要進(jìn)展

發(fā)布日期：2023-09-06 供稿：材料學(xué)院潘也唐攝影：材料學(xué)院

編輯：牟雪嬌審核：程興旺閱讀次數(shù)：

近日，北京理工大學(xué)國家阻燃材料工程技術(shù)研究中心楊榮杰教授課題組在金屬有機(jī)框架阻燃劑制備技術(shù)方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果相繼發(fā)表在國際頂級期刊《Chemical Engineering Journal》（影響因子15.1），北京理工大學(xué)為第一通訊單位，潘也唐副教授為通訊作者。

金屬有機(jī)框架材料（MOFs）是由金屬離子和有機(jī)配體配位形成的永久性開放的晶體框架，因其高比表面積、規(guī)則的孔結(jié)構(gòu)、良好的機(jī)械和熱穩(wěn)定性以及可控的物理化學(xué)性質(zhì)，近年來也被應(yīng)用于阻燃高分子材料領(lǐng)域。課題組在超聲預(yù)處理?xiàng)l件下，巧妙地利用沸石咪唑酯骨架材料ZIF-67和ZIF-67釋放的Co²⁺形成的氫氧化鈷作為雙成核位點(diǎn)（模板）負(fù)載環(huán)交聯(lián)聚磷腈。借助磷腈縮聚生成的HCl蝕刻ZIF-67和氫氧化鈷，最終獲得了具有不同維度和尺寸的聚磷腈雜化物CPPHS，用于阻燃環(huán)氧樹脂（EP）。阻燃劑包含的P-N-Co元素發(fā)揮了協(xié)同阻燃作用，過渡金屬元素鈷與聚磷腈高度交聯(lián)的P-N結(jié)構(gòu)有利于炭層致密化，有效地阻礙了熱流傳播以及可燃?xì)怏w的交換。此外，維度錯(cuò)配結(jié)構(gòu)使得CPPHS在基體中的分散性大大增強(qiáng)，進(jìn)而提高復(fù)合材料的機(jī)械性能（圖1）。研究成果以“Dual nucleation sites induced by ZIF-67 towards mismatch of polyphosphazene hollow sub-micron polyhedrons and nanospheres in flame retardant epoxy matrix”為題(https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144278），該工作以潘也唐副教授和耿志帥副研究員為共同通訊作者，碩士研究生宋小寧為第一作者。

圖1. (a) CPPHS合成示意圖；(b) 透射電鏡圖片；(c)透射電鏡及相應(yīng)的元素分布圖；(d) 環(huán)氧復(fù)合材料的熱釋放速率和總熱釋放曲線；(e) 維度錯(cuò)配結(jié)構(gòu)促進(jìn)分散機(jī)理圖

含有過渡金屬的多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）具有優(yōu)異的阻燃性能。課題組以水溶性鈷-聚乙烯吡咯烷酮（Co-PVP）絡(luò)合物為模板和鈷源，首先在其表面生長鈷-金屬-有機(jī)框架（Co-MOF），然后使用Na-POSS的水溶液作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑和刻蝕劑，在負(fù)載POSS的同時(shí)去除模板，從而得到具有空心柱狀結(jié)構(gòu)的POSS-MOF納米復(fù)合阻燃劑Co-MOF@POSS。該阻燃劑在環(huán)氧樹脂中實(shí)現(xiàn)了均勻分散，而且能夠促進(jìn)炭層快速形成，從而帶來良好的阻燃和抑煙效果。過渡金屬Co的存在可催化聚合物表面炭層的形成，而POSS熱解后形成的SiO₂又可以進(jìn)一步增強(qiáng)炭層的強(qiáng)度，在Co-N-Si的多元素協(xié)同阻燃作用下，聚合物表面形成了堅(jiān)固且致密的炭層，從而有效阻隔了燃燒過程中物質(zhì)的傳遞（圖2）。研究成果以“Fast char formation induced by POSS confining Co-MOF hollow prisms in epoxy composites with mitigated heat and smoke hazards”為題（https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145682），該工作以潘也唐副教授和張文超副教授為共同通訊作者，碩士研究生韓政德為第一作者。

圖2. (a) Co-MOF@POSS的合成示意圖；(b-e) Co-MOF@POSS的SEM圖像、TEM圖像及相應(yīng)的元素掃描圖；(f) 環(huán)氧復(fù)合材料的熱釋放速率和總熱釋放曲線；(g)阻燃機(jī)理圖

此外，課題組還綜述了MOFs在阻燃環(huán)氧復(fù)合材料中的最新研究進(jìn)展，包括純MOFs、MOFs衍生物、功能化MOFs以及基于MOFs和其他功能組分的協(xié)同體系。分析了MOFs基阻燃劑的改性策略和阻燃效率，重點(diǎn)分析了不同組分的阻燃機(jī)理。最后，對MOFs基阻燃劑未來發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了總結(jié)和展望。這項(xiàng)工作有望幫助研究人員快速了解該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并指導(dǎo)他們進(jìn)行有效的MOFs阻燃劑的設(shè)計(jì)（圖3）。綜述以“Metal-organic frameworks-based flame-retardant system for epoxy resin: A review and prospect”為題（doi.org/10.1016/j.cej.2023.143653），該綜述以潘也唐副教授和何吉宇教授為共同通訊作者，博士研究生宋昆朋為第一作者。

圖3. MOFs阻燃劑的綜述示意圖

附作者簡介：

潘也唐，長聘副教授、博士生導(dǎo)師。2018年于馬德里理工大學(xué)取得博士學(xué)位后加入北京理工大學(xué)材料學(xué)院阻燃中心。長期從事阻燃高分子納米復(fù)合材料的研究，是最早開展金屬有機(jī)框架阻燃劑研究的科研人員之一，近年來圍繞該方向取得了一系列研究成果，發(fā)表論文60余篇，先后主持中國博士后面上基金項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金青年、面上項(xiàng)目等。曾獲首屆中國博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銅獎(jiǎng)，指導(dǎo)學(xué)生獲“互聯(lián)網(wǎng)+”中國國際大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽兩屆國賽金獎(jiǎng)。

北理工課題組在金屬有機(jī)框架阻燃劑制備技術(shù)方面取得重要進(jìn)展

最新新聞