一种基于生物的阻燃功能化氮化硼纳米片，用于提升EVA复合材料的阻燃性能和导热性

《Journal of Materials Science & Technology》：A bio-based flame retardant functionalized boron nitride nanosheet to improve flame retardancy and thermal conductivity of EVA composites

一种基于机械剥离和自组装技术的生物基阻燃功能化六方 boron nitride 纳片（BNNS@PP-Fe）被成功制备，显著提升EVA/ATH复合材料的阻燃性（p-HRR降低76.5%，THR降低47.3%）、热导率（0.78 W/(m K)）和机械性能。

　　随着电子设备的持续升级，其高能耗特性导致的热量积累对绝缘材料的高效散热和防火性能提出了更高要求。为了应对这一挑战，研究人员提出了一种基于生物基的阻燃剂修饰六方氮化硼纳米片（BNNS@PP-Fe）的方法，旨在降低乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）的火灾风险，同时提升其热导率和机械性能。EVA因其良好的加工性、抗油性、抗老化性和机械性能，常被用于电缆、电路板等电子设备的绝缘层。然而，其本身热导率较低，限制了其在高功率电子设备热管理中的应用。因此，引入高热导率的填料成为改善EVA性能的重要策略。

六方氮化硼纳米片（BNNS）作为一种具有类似石墨烯二维结构的材料，因其出色的电绝缘性和高热导率而受到广泛关注。然而，BNNS表面的惰性特性导致其与聚合物基体之间的界面相容性较差，从而产生较大的热阻，限制了其在热导率增强复合材料中的应用。此外，高功率电子设备在运行过程中可能产生大量热量，导致严重火灾隐患，因此，具备优异阻燃性能的热导率增强复合材料对于实际应用至关重要。尽管BNNS能够通过形成物理屏障来阻隔热量和氧气的扩散，从而提高材料的阻燃性能，但其阻燃效率仍不足以满足先进热管理系统的需要。

为了解决这些问题，研究人员提出了一种利用生物基阻燃剂对BNNS进行功能化的方法。该方法基于简单的机械剥离和自组装技术，避免了传统方法中对有机溶剂的依赖以及复杂的操作过程。这种策略不仅简化了材料的制备流程，还降低了对环境和人体健康的潜在危害。此外，该方法能够实现阻燃剂与BNNS表面的有效结合，从而充分发挥BNNS的高热导率和阻燃剂的优异阻燃性能。

在该研究中，研究人员选用了一种天然存在的生物基阻燃剂——植酸（PTA）和哌嗪（PA）。PTA是一种含有多个磷酸基团的环状有机酸，具有良好的脱水特性，能够在高温下形成炭层，从而有效阻隔热量和氧气的传播。PA则是一种含氮的杂环化合物，能够通过自身结构在燃烧过程中发挥阻燃作用。PTA和PA在水溶液中分别带有负电荷和正电荷，因此可以通过静电相互作用实现自组装，形成稳定的生物基阻燃体系。此外，PTA和PA能够与铁离子（Fe3?）发生螯合反应，从而降低其在水中的溶解度，并增强其在高温下的炭形成能力，进一步提高阻燃效果。

研究人员将PTA、PA和Fe3?通过氢键作用固定在BNNS表面，制备出一种新型的生物基阻燃修饰BNNS（BNNS@PP-Fe）。通过这种方式，BNNS的表面被赋予了优异的阻燃性能，同时其在EVA基体中的分散性得到了显著提升。这不仅有助于改善材料的热导率，还能够增强其机械性能。实验结果表明，EVA/ATH/4BNNS@PP-Fe复合材料在热导率和拉伸强度方面分别比EVA/ATH复合材料提升了33.56%和一定比例。此外，该复合材料的峰值热释放速率（p-HRR）和总热释放速率（THR）分别降低了76.5%和47.3%，显示出极强的阻燃能力。

BNNS@PP-Fe的优异性能来源于其高度平面的取向结构和丰富的阻燃功能基团。这些特性使得BNNS能够与EVA基体形成良好的界面结合，从而减少界面热阻，提高整体的热传导能力。同时，阻燃剂的引入不仅能够通过形成炭层来阻隔热量和氧气的扩散，还能够通过催化作用促进材料在燃烧过程中的炭化，从而进一步降低热释放速率。此外，BNNS@PP-Fe的平面结构有助于在复合材料中形成有效的导热路径，从而提高材料的热导率。

在材料制备过程中，研究人员采用了简单且环保的机械剥离和自组装技术。这种方法不需要使用有害的有机溶剂，避免了传统化学修饰方法可能带来的环境污染和健康风险。同时，由于操作过程相对简单，该方法在实际应用中具有较高的可行性。通过这种方法，BNNS能够在EVA基体中均匀分散，形成稳定的复合结构，从而实现热导率和阻燃性能的双重提升。

为了验证BNNS@PP-Fe在EVA复合材料中的性能，研究人员进行了多种表征手段。包括扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）用于观察材料的微观结构。SEM图像显示，未经修饰的BNNS具有较厚的层状堆叠结构，而经过机械剥离后的BNNS厚度显著减少，表明剥离过程有效降低了BNNS的尺寸，使其更易于分散在EVA基体中。此外，BNNS@PP-Fe的表面出现了许多小颗粒，这表明阻燃剂成功地修饰在BNNS表面。TEM图像进一步确认了BNNS@PP-Fe的微观结构，显示出其表面被阻燃剂有效覆盖，从而提高了与EVA基体的相容性。

除了微观结构的表征，研究人员还对材料的热导率和阻燃性能进行了测试。实验结果表明，BNNS@PP-Fe的引入显著提高了EVA复合材料的热导率，使其达到0.78 W/(m·K)。这一数值远高于传统EVA材料的热导率，表明BNNS@PP-Fe在热传导方面表现出色。同时，BNNS@PP-Fe的引入也显著提升了材料的阻燃性能，使得p-HRR和THR分别降低了76.5%和47.3%。这表明，BNNS@PP-Fe不仅能够有效阻隔热量的传播，还能在燃烧过程中形成稳定的炭层，从而减少热量的释放。

此外，BNNS@PP-Fe的引入还对材料的机械性能产生了积极影响。由于BNNS@PP-Fe具有良好的界面结合能力，其能够增强EVA复合材料的力学强度，使其在承受外部应力时表现出更高的稳定性。实验数据显示，EVA/ATH/4BNNS@PP-Fe复合材料的拉伸强度得到了明显提升，这表明BNNS@PP-Fe在提高材料机械性能方面具有重要作用。

该研究不仅为制备多功能BNNS提供了一条简便的路径，也为开发商业化的绝缘材料开辟了新的方向。BNNS@PP-Fe的应用不仅限于EVA材料，还可能拓展到其他聚合物基体中，从而满足不同应用场景对热导率和阻燃性能的需求。随着电子设备功率的不断增大，对绝缘材料性能的要求也在不断提高，因此，开发兼具高热导率和优异阻燃性能的复合材料具有重要的现实意义。

在实际应用中，EVA/ATH/4BNNS@PP-Fe复合材料可以用于高功率电子设备的绝缘层，有效解决设备运行过程中产生的热量问题。同时，其优异的阻燃性能能够降低火灾风险，提高设备的安全性。这种复合材料的制备方法简单、环保，具有良好的可扩展性，有望在未来成为一种广泛应用的绝缘材料。

综上所述，该研究通过简单的机械剥离和自组装技术，成功制备了一种生物基阻燃剂修饰的BNNS（BNNS@PP-Fe），并将其应用于EVA复合材料中，实现了热导率和阻燃性能的双重提升。这一成果不仅为高功率电子设备的热管理提供了新的解决方案，也为开发高性能、环保型绝缘材料提供了理论依据和技术支持。未来，随着相关技术的不断进步，这种多功能复合材料有望在更广泛的领域中得到应用，推动绝缘材料行业的发展。