甲基苯基聚硅氧烷接枝改性玻璃粉增强硅橡胶复合材料的高温陶瓷化与阻燃性能研究

为解决硅橡胶(SR)在高温或燃烧条件下易降解、机械性能丧失及二次危害问题，研究人员通过磷酸盐玻璃粉与锌硼酸盐(ZnBM)、氧化镧(La2O3)、氧化铈(CeO2)高温煅烧及甲基苯基聚硅氧烷(MPP)接枝改性，开发出GF-ZnBM、GF-CeM和GF-LaM系列疏水玻璃粉。该复合材料极限氧指数(LOI)提升至33%，燃烧传播倾向显著降低，其中GF-CeM显著增强陶瓷化强度，SR/ZnB-GF表现出最低活化能及最优防护性能，为轨道交通、核电站等特殊领域防火安全材料设计提供新策略。

　　

硅橡胶(SR)因其优异的透气性和耐高温性，广泛应用于医疗器械、电缆密封等领域。然而，当遭遇火灾或极端高温时，SR会迅速降解为脆性碳化层，丧失机械强度，无法有效阻止爆炸或辐射泄漏等次生灾害。传统添加陶瓷填料的方法虽能提升硅橡胶的陶瓷化能力，但往往难以兼顾低温陶瓷化与高阻燃性需求。特别是在高铁、核电站等特殊场景中，亟需开发兼具柔性与高温自支撑特性的新型复合材料。

中国科学技术大学的研究团队创新性地将磷酸盐玻璃粉与锌硼酸盐(ZnB)、氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)在1000°C下共煅烧，再通过球磨法接枝甲基苯基聚硅氧烷(MPP)，成功制备出三种疏水改性玻璃粉GF-ZnBM、GF-CeM和GF-LaM。将这些改性粉末与硅橡胶复合后，材料在保持常温柔性的同时，高温下可形成致密陶瓷结构，相关成果发表在《Journal of Polymer Materials》上。

研究采用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征玻璃粉晶体结构，通过接触角测试验证疏水性；利用锥形量热仪测定热释放速率(PHRR)，热重-红外联用(TGA-FTIR)分析热分解产物；采用三点弯曲法测试陶瓷残体强度，并通过分布式活化能模型(DAEM)计算材料热分解活化能。

组成与结构表征
XRD显示GF-LaM中出现了LaPO₄特征峰，表明煅烧过程中La₂O₃与磷酸盐发生反应。红外光谱在1600 cm^-1处出现苯环特征峰，证实MPP成功接枝。改性玻璃粉接触角达151°-159°，较未改性样品（0°）实现超疏水特性。

热稳定性分析
TGA显示SR/Ce-GF在400.3°C开始分解，比SR/G45(411.6°C)更低，但残炭率仍保持59.7%。DTG曲线出现三阶段分解，表明稀土氧化物改变了降解路径。

阻燃性能提升
锥形量热测试表明，SR/ZnB-GF的峰值热释放速率(PHRR)延迟至179秒，火灾增长指数(FGI)降低46%。GF-CeM和GF-LaM将极限氧指数(LOI)提升至33%，其中SR/La-GF达到UL-94 V-1级。残炭分析显示，GF-CeM样品形成连续熔融共晶区，而SR/ZnB-GF保持多孔结构。

陶瓷化特性
经1000°C煅烧后，含GF-CeM的复合材料弯曲强度最高，XRD证实AlPO₄晶相随温度升高而增多。SEM显示SR/Ce-GF在高温下形成致密陶瓷层，而SR/La-GF仍保持多孔结构。

机械性能与活化能
动态力学分析(DMA)表明改性玻璃粉对tan(δ)峰影响微弱，储能模量变化小于10%。SR/ZnB-GF活化能最低（平均158 kJ/mol），其保护性能最优，而SR/Ce-GF在高转化率阶段活化能显著升高。

该研究通过精准调控玻璃粉组成与界面特性，实现了硅橡胶复合材料阻燃-陶瓷化性能的协同优化。GF-CeM促进的低温熔融效应与GF-LaM提升的LOI值，为开发新一代防火密封材料提供了明确方向。特别是SR/ZnB-GF展现的低活化能特性，暗示其在快速成瓷方面的独特优势，对核电站电缆通道等需要快速形成防火屏障的场景具有重要应用价值。研究建立的稀土氧化物-硼酸盐协同改性策略，为多功能聚合物复合材料设计提供了普适性方法学参考。