钢结构因其强度高，易施工等综合优点，被广泛用在大型体育馆，火车站，商场等公共建筑中。然而，由于钢结构自身的高导热性，其强度会在火灾中迅速下降，严重威胁人民的生命及财产安全。因此，提高对钢结构的防火保护是目前阻燃领域的研究重点。
防火涂层是针对钢结构最有效的防火措施。目前效果最好，使用最多的是传统的膨胀阻燃涂层，该涂层包含的APP(聚磷酸铵)，MEL(三聚氰胺)和PER(季戊四醇), 能在火灾中与涂层基体反应，迅速成炭，从而降低热量传导速率，保护内部钢结构。然而，传统的膨胀阻燃涂层存在炭层强度低和致密性差等缺陷，还需进一步优化。
兰州大学特殊功能材料与结构设计教育部重点实验室王育华教授课题组在《ACS Applied Nano Materials》上面发表了题为 “Graphene Oxide Nanosheets Decorated with MgAlCr-Layered Double Hydroxide Nanosheets as Flame Retardant Coatings for Steel” 的文章（DOI: 10.1021/acsanm.1c01431）。该工作依据无机二维材料比表面积大和无毒害等优点，提出将纳米石墨烯与层状双氢氧化物相结合，制备一种新型的纳米阻燃剂GO/MgAlCr-LDHs并用于增强传统钢结构膨胀阻燃涂层。依据电荷吸附原理，将MgAlCr-LDHs负载在GO表面，制备的阻燃剂GO/MgAlCr-LDHs具有以下优点：（1）表面负载MgAlCr-LDHs有效降低了GO的团聚程度；（2）协同利用GO的物理屏蔽作用及MgAlCr-LDHs的分解催化作用，提高了涂层的阻燃性能；（3）引入Cr元素，显著提高了MgAl-LDHs的耐高温性能。热重分析（TGA）,微型量热仪(MCC),残炭分析等结果表明，纳米阻燃剂GO/MgAlCr-LDHs 能有效提高膨胀阻燃涂层的阻燃性能。基于以上结果分析，还提出了纳米阻燃剂GO/MgAlCr-LDHs在EP基膨胀阻燃涂层中的阻燃机理,主要分气相阻燃机理和凝聚相阻燃机理。其中，GO主要在凝聚相中起物理屏蔽作用，以延缓氧气与热量向未燃烧区域的传递。MgAlCr-LDHs在燃烧过程中分解需消耗部分热量，产生的水蒸气在气相中起稀释氧气作用，产生的MgO, Al2O3和 Cr2O3等金属氧化物能够催化EP基体成炭，并增强炭层的抗氧化性能。
图1 阻燃剂GO/MgAlCr-LDHs的合成与环氧树脂（EP）基膨胀阻燃钢涂层的制备。
图2 GO, MgAlCr-LDHs 和GO/MgAlCr-LDHs的X-射线光电子能谱图(a) 及C元素的高分辨X-射线光电子能谱图(b)-(d)。
图3 GO, MgAlCr-LDHs 和GO/MgAlCr-LDHs的扫描形貌(a)-(c);扫描EDS能谱图(d)-(f)及透射形貌图(g)-(i)。
图4 空气气氛中EP基膨胀阻燃涂层的热重分析(TGA)(a)和差热分析 (DTG)(b)曲线。
图5 EP基膨胀阻燃涂层的微型量热分析结果: 热释放速率(HRR)(a)和完全热释放量(THR)(b)曲线。
图6 EP基膨胀阻燃涂层的残炭扫描形貌图。
图7 纳米阻燃剂GO/MgAlCr-LDHs 基于EP基膨胀阻燃涂层的阻燃机理。
相关链接:
Zhang, D.; Ma, Z.; Zhang, Z.; Ning, H.; Wang, Y. Graphene Oxide Nanosheets Decorated with MgAlCr-Layered Double Hydroxide Nanosheets as Flame Retardant Coatings for Steel. ACS Applied Nano Materials 2021.
https://doi.org/10.1021/acsanm.1c01431
