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

  眾所周知，阻燃劑可以通過化學或物理作用，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。研究發現，在PFS制備的流程中，添加阻燃劑可有效提高它們的耐火性，同時保持PFS原有的輕質多孔等特性。含鹵素和磷的有機阻燃劑（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，但是鹵素產品在燃燒過程中會產生一些有毒物質，在一定程度上對環境造成污染，甚至危害到人們的健康。相比之下，綠色環保的無機阻燃劑（如硅、硼、鈦和鋁等化合物）更適合可持續發展的需求。目前，大多數傳統無機阻燃劑主要是通過降低復合材料在燃燒過程中的HRR來改善其阻燃性能。由于它們容易在著火點附近產生熱量集中，導致其在改善點火性能（例如，延遲點火時間等）方面的作用效果有限。隨著科技的進步，我們生活中已經擁有一套比較完善的滅火系統，以保證火災現場的滅火效率。這意味著提高復合材料的點火溫度和延長其點火時間，可以阻止火災的快速蔓延，這有利于人員的疏散，確保人們的生命和財產安全。因此，尋找一種具有較高熱導率，能夠讓復合材料內部熱量有效分散，以降低其峰值溫度和改善其點火性能的阻燃劑是大勢所趨。

  基于此，福建工程學院陳汀杰副教授課題組結合多年來在植物纖維多孔材料研究方面積累的豐富經驗和取得的豐碩成果，他們開發了一種具有各向異性導熱的六方氮化硼(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基材上的絲網印刷和刮涂；(h-i）h-BN/PU自支撐膜的表征及應用；(j-k）h-BN油墨在LED燈上的應用。

  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屏障，有效提高材料的極限氧指數（LOI），延長其點燃時間（TTI）和爆燃時間（TTF），降低相應的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%。在可燃性探索實驗中，研究發現PFS在1 s內瞬間被點燃，40 s后只剩下燃燒后的黑色碳物質。而經h-BN處理后的PFS可以在火焰中承受90 s而不被點燃，表現出了優異的防火性能（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。

  通過機理分析得出，PFS@h-BN表現出優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熱性能的h-BN薄膜層，它可以使材料表面及內部的熱均勻且快速地擴散，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度（與PFS相比，壓縮強度增大了1.47 MPa）。這表明PFS@h-BN材料能夠滿足環保、規模化生產、良好的防火安全和機械性能的要求，在安全、節能建筑應用結構材料方面具有一定的應用前景。

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

  文獻鏈接：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