基于氩等离子体修饰黑磷纳米片的仿生装甲设计及其对环氧树脂阻燃性能的协同增强机制

针对环氧树脂(EP)易燃问题，研究人员创新性地采用氩等离子体(Ar plasma)处理黑磷纳米片(PCBP)，通过分子动力学模拟(MDS)证实其强静电相互作用(-847 eV级结合能)，使EP复合材料的峰值热释放率(pHRR)和总热释放量(THR)分别降低22.98%和16.24%，达到UL-94 V-0级阻燃标准，为二维材料表面改性提供新策略。

　　

在现代工业中，环氧树脂(EP)凭借优异的机械性能和加工便利性，成为涂料、电子封装等领域的核心材料。然而其分子链中大量可燃成分带来的火灾隐患，严重制约了应用场景。传统阻燃剂虽能改善防火性能，却常面临环境兼容性差、改性工艺复杂等挑战。与此同时，被誉为"梦幻材料"的黑磷(BP)纳米片虽具备独特的自由基捕获和催化成炭能力，但表面孤对电子导致的易氧化特性使其难以实际应用。

针对这一技术瓶颈，赣南医学院（Gannan Medical University）的研究团队从犰狳铠甲获得灵感，创新性地采用氩等离子体清洁机(PC)对BP纳米片进行表面装甲化处理，成功制备出具有环境稳定性的PCBP纳米片，并系统研究了其对EP阻燃性能的增强机制。相关成果发表于《Polymer Degradation and Stability》。

研究团队运用分子动力学模拟(MDS)、电子顺磁共振(EPR)、锥形量热(CCT)等关键技术，结合热重-红外联用(TG-IR)、拉曼光谱等表征手段，揭示了PCBP的协同阻燃机制。通过建立0-800K温度区间的NVT系综模型，首次量化了Ar等离子体与BP的静电相互作用能(-847.3eV级)，证实该作用具有温度不敏感性。

材料特性分析
XPS和XRD证实PCBP保持了BP的晶体结构，EPR测试显示自由基强度降低42%，说明Ar等离子体有效钝化了表面活性位点。TGA显示800℃残炭率提升23.27%，拉曼光谱中I_D/I_G比值从4.021降至3.098，表明PCBP促进了石墨化交联网络形成。

阻燃性能评估
添加1.5wt% PCBP的EP复合材料达到UL-94 V-0等级，极限氧指数(LOI)升至30.4。CCT测试显示pHRR和THR分别下降22.98%和16.24%，TG-IR证实燃烧烟气中CO₂特征峰强度降低61%。SEM显示残炭形成连续致密的"铠甲式"层状结构。

作用机制解析
DFT计算表明Ar^??与BP的P^δ-形成强静电键合，TEM观察到2.3nm厚的等离子体修饰层。该装甲层通过三重机制协同阻燃：(1)物理屏障效应延缓热/质传递；(2)自由基捕获抑制链式反应；(3)催化EP分子定向转化为石墨化炭层。

该研究开创了等离子体辅助二维材料改性新范式，Kunxin Wang团队提出的"仿生装甲"策略不仅解决了BP环境稳定性难题，更通过精准调控界面相互作用，实现了阻燃效率-环境友好性-工艺经济性的三重突破。特别值得注意的是，PCBP在800K仍保持稳定相互作用的特性，为开发耐高温聚合物复合材料提供了理论依据。这项技术有望拓展至其他二维材料体系，推动新一代智能阻燃材料的工程化应用。