背景介绍
环氧树脂作为三大热固性材料之一，在汽车、交通、文体、家居以及建筑等领域均得到了广泛的应用。然而，环氧树脂的合成原料主要依赖于石化资源，且环氧树脂的易燃性很大程度上限制了它的应用。为了提高环氧树脂使用安全性，满足其在某些特殊领域的使用，利用生物基原料制备一种高性能本征阻燃环氧树脂复合材料具有十分重要的意义。
文献解读
图1 文章摘要图
近日，江南大学化学与材料工程学院马丕明教授课题组在生物基本征阻燃环氧树脂的制备与应用方面取得了新进展。研究人员利用木质素衍生物单体—香草醛（vanillin）作为原料，利用9, 10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO）和席夫碱键加成反应制备得到香草醛基含磷环氧单体MEP。通过控制含磷量，且出于节约成本方面的考虑，将传统环氧树脂单体DGEBA与MEP复合，使用二氨基二苯甲烷（DDM）为固化剂，然后把复合环氧树脂单体通过真空浸渍法灌入石墨烯气凝胶（graphene aerogel，GA）中，制备了本征阻燃导热环氧树脂/石墨烯复合材料（图2和图3）。
图2 DER/MEP-DDM的固化反应过程示意图
图3 石墨烯气凝胶和环氧树脂/石墨烯复合材料的制备过程
结果表明，当添加20 wt%的MEP，即含磷量为1.06 wt%时，环氧树脂UL-94垂直燃烧测试达到V0等级，极限氧指数为27.5%；当MEP添加量为30 wt%时，即含磷量为1.6 wt%时，火焰离开材料后瞬间熄灭，极限氧指数为28.8%，表明DER/MEP-DDM具有较好的阻燃性能（图5 d~i）。通过锥形量热仪（CONE）测试表明，DER/MEP(8:2)-DDM样品的成碳效果更加致密（图4），N、P元素分布均衡，总释放热（THR）和热释放速率（HRR）比纯样（DER-DDM）分别下降了27 %和35 %（图5 b，c），进一步印证了本征阻燃环氧树脂在燃烧过程所产生的不可燃气体稀释（气相阻燃机理）和碳层保护（凝聚相阻燃机理）的协效阻燃作用机理。值得一提的是，基于MEP自身的骨架刚性与交联网络分子间N-H的强氢键相互作用，当添加量为30 wt%时，环氧树脂的弯曲强度和模量比纯样（DER-DDM）分别提高了24 %和115 %（图5 a）。
图4 锥形量热仪燃烧后的样品与形貌（a：DER-DDM；b：DER/MEP(8:2)-DDM）；c：DER/MEP(8:2)-DDM样品的N、P元素分布情况
图5 a：弯曲应力应变曲线；b、c：总释放热和热释放速率；d~i：UL-94垂直燃烧测试
将复合环氧单体通过真空浸渍法灌入石墨烯气凝胶中，利用扫描电镜分析发现，环氧树脂/石墨烯复合材料未发生塌陷，仍保持完整的三维骨架结果（图6），表明了环氧树脂复合单体优异的加工流动性能。随后对环氧树脂/石墨烯复合材料进行导热性能测试，当石墨烯三维骨架含量仅为0.5 wt%时，导热系数达到了0.59 W/(m·K)，与纯环氧树脂相比，导热增强效率超过400 %（图7 a）。同时，环氧树脂/石墨烯复合材料依然保持了良好的阻燃性能（图7 b）。
图6 石墨烯气凝胶（a，a’）和环氧树脂/石墨烯复合材料（b，b’，c，c’）的扫描电镜图
图7 a：与已报道石墨烯-高分子复合材料的导热性能对比；b：复合材料阻燃性能
该工作为制备高性能生物基阻燃环氧树脂提供了一种切实可行的方法，并有望用于电子封装、碳纤维复合材料等领域，相关成果以题为“Design of Intrinsically Flame Retardant Vanillin-Based Epoxy Resin for Thermal-Conducive Epoxy/Graphene Aerogel Composites”发表于ACS Applied Materials & Interfaces。该工作主要由江南大学化学与材料工程学院硕士研究生丁慧完成，杨伟军副教授为该论文第一作者和通讯作者，马丕明教授为该论文的共同通讯作者。该成果得到了国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金等项目的资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c19727
简历
丁慧，女，中共党员，2019级硕士研究生，班级团支部支书；共发表SCI论文5篇，其中第一作者1篇，第二作者3篇（导师一作），累计影响因子26.81，申请发明专利1项；综测班级排名第一，荣获2021年研究生国家奖学金、江苏省化工新材料研究生创新学术论坛二等奖、连续两年获得一等学业奖学金。
