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  隨著化石能源的減少，以及其使用對環(huán)境造成的污染，可再生和可降解的植物纖維復(fù)合材料引起了人們的廣泛關(guān)注。以植物纖維為原料，通過液體機(jī)械發(fā)泡制成的植物纖維海綿（PFS），由于其具有輕質(zhì)多孔、導(dǎo)熱性低和吸音效果好等優(yōu)點(diǎn)，在家具、保溫材料、包裝緩沖和絕緣材料等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，天然植物纖維的易燃性，導(dǎo)致PFS非常易燃，這將會大大限制它在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

  眾所周知，阻燃劑可以通過化學(xué)或物理作用，在著火、熱解或火焰蔓延期間干擾燃燒過程，從而改善材料的阻燃性能。研究發(fā)現(xiàn)，在PFS制備的流程中，添加阻燃劑可有效提高它們的耐火性，同時(shí)保持PFS原有的輕質(zhì)多孔等特性。含鹵素和磷的有機(jī)阻燃劑（如氯化石蠟）可以通過有效降低材料熱釋放速率（HRR）來提高PFS的耐火性，但是鹵素產(chǎn)品在燃燒過程中會產(chǎn)生一些有毒物質(zhì)，在一定程度上對環(huán)境造成污染，甚至危害到人們的健康。相比之下，綠色環(huán)保的無機(jī)阻燃劑（如硅、硼、鈦和鋁等化合物）更適合可持續(xù)發(fā)展的需求。目前，大多數(shù)傳統(tǒng)無機(jī)阻燃劑主要是通過降低復(fù)合材料在燃燒過程中的HRR來改善其阻燃性能。由于它們?nèi)菀自谥瘘c(diǎn)附近產(chǎn)生熱量集中，導(dǎo)致其在改善點(diǎn)火性能（例如，延遲點(diǎn)火時(shí)間等）方面的作用效果有限。隨著科技的進(jìn)步，我們生活中已經(jīng)擁有一套比較完善的滅火系統(tǒng)，以保證火災(zāi)現(xiàn)場的滅火效率。這意味著提高復(fù)合材料的點(diǎn)火溫度和延長其點(diǎn)火時(shí)間，可以阻止火災(zāi)的快速蔓延，這有利于人員的疏散，確保人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，尋找一種具有較高熱導(dǎo)率，能夠讓復(fù)合材料內(nèi)部熱量有效分散，以降低其峰值溫度和改善其點(diǎn)火性能的阻燃劑是大勢所趨。

  基于此，福建工程學(xué)院陳汀杰副教授課題組結(jié)合多年來在植物纖維多孔材料研究方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn)和取得的豐碩成果，他們開發(fā)了一種具有各向異性導(dǎo)熱的六方氮化硼(h-BN)油墨，將其作為阻燃劑，通過簡單而有效的浸涂方法，制備得到了耐火性能優(yōu)異的h-BN改性PFS（定義為PFS@h-BN）（圖1）。

圖1.（a）h-BN油墨和（b）PFS@h-BN.的制備流程示意圖

  課題組制備得到的h-BN油墨可以很好的保存，可以被用于絲網(wǎng)印刷、刮涂和噴涂等工藝加工。其中，刮涂得到的薄膜可以與基體分離，制備具有高導(dǎo)熱的自支撐h-BN薄膜（圖2）。

圖2.（a-b）h-BN油墨；(c-d）剝離后h-BNNS的TEM圖像；(e-g）h-BN油墨在PET基材上的絲網(wǎng)印刷和刮涂；(h-i）h-BN/PU自支撐膜的表征及應(yīng)用；(j-k）h-BN油墨在LED燈上的應(yīng)用。

  將其作為阻燃劑，通過浸涂工藝處理PFS，h-BN納米片可以均勻地沉積在植物纖維的表面，從而形成良好的保護(hù)屏障，有效提高材料的極限氧指數(shù)（LOI），延長其點(diǎn)燃時(shí)間（TTI）和爆燃時(shí)間（TTF），降低相應(yīng)的HRR和煙氣釋放總量（TSR）。與PFS相比，PFS@h-BN的LOI值提高了29.0%，TTI延長了四倍，TTF延長了500 s，HRR峰值降低了21.0%，TSR降低了35.1%。在可燃性探索實(shí)驗(yàn)中，研究發(fā)現(xiàn)PFS在1 s內(nèi)瞬間被點(diǎn)燃，40 s后只剩下燃燒后的黑色碳物質(zhì)。而經(jīng)h-BN處理后的PFS可以在火焰中承受90 s而不被點(diǎn)燃，表現(xiàn)出了優(yōu)異的防火性能（圖3）。

圖3. h-BN油墨處理過的PFS、木材、PET和紙張的可燃性試驗(yàn)。

  通過機(jī)理分析得出，PFS@h-BN表現(xiàn)出優(yōu)異防火性能主要是得益于包裹在植物纖維表面具有高度各向異性導(dǎo)熱性能的h-BN薄膜層，它可以使材料表面及內(nèi)部的熱均勻且快速地?cái)U(kuò)散，避免材料集中過熱加速燃燒。總之，該工作表明h-BN油墨不僅可以改善PFS的阻燃性能，還能賦予材料較好的壓縮強(qiáng)度（與PFS相比，壓縮強(qiáng)度增大了1.47 MPa）。這表明PFS@h-BN材料能夠滿足環(huán)保、規(guī)模化生產(chǎn)、良好的防火安全和機(jī)械性能的要求，在安全、節(jié)能建筑應(yīng)用結(jié)構(gòu)材料方面具有一定的應(yīng)用前景。

  相關(guān)工作近期以“Fire-resistant plant fiber sponge enabled by highly thermo-conductive hexagonal boron nitride ink”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊上。論文第一作者和通訊作者為福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院陳汀杰副教授。

  文獻(xiàn)鏈接：Fire-resistant plant fiber sponge enabled by highly thermo-conductive hexagonal boron nitride ink. Chemical Engineering Journal 2022, 429, 132135. DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132135

  全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721037141