黑磷在阻燃方面的应用研究

美国黑磷科学学会秘书长 张 森

随着现代科学技术的不断发展以及人类生产、生活的不断进步，人们对阻燃材料的安全性以及防火性能要求也越来越高，特别是核能源工业，大飞机、高速列车、电动汽车、高精尖电子产业，航空航天，5G、6G通信设备，海洋情报信息系统和军事装备等国防和工业领域都面临着一系列关键阻燃材料的技术突破问题。目前，市场上的阻燃材料包括有机阻燃材料以及无机阻燃材料。有机阻燃材料主要是卤素添加剂，添加了卤素阻燃剂的材料在燃烧过程中可以释放卤化氢，获得活性低的自由基，从而阻止燃烧链传递，减缓燃烧。无机阻燃材料主要包括磷酸盐、红磷等。

常用的磷系阻燃材料可使阻燃剂实现无卤化，其增塑功能可使塑料成型时流动加工性变好，可抑制燃烧后的残余物，产生的毒性气体和腐蚀性气体比卤系阻燃剂少，且阻燃效率高，对光稳定性或光稳定剂作用的影响较小，加工和燃烧中腐蚀性小，有阻碍复燃的作用，极少或不增加阻燃材料的质量。缺点是挥发性大、耐热性差、相容性不理想，而且在燃烧时有滴落物产生等。因此，研究新型的阻燃剂，提高电子材料的热稳定性和防火安全性，是科学家在阻燃领域重点研究的课题。

说黑磷之前，我们先说说石墨烯。过去十年，单层石墨统治了二维材料世界，其碳原子以层分布，就像蜂窝，人们称之为石墨烯。石墨烯的强度比钢高，导电性比铜高，延展性比橡胶好。所有这些性质相结合，使之成为热和电的优良导体。它的原子层毫无缺陷，防止一切原子、分子渗透进入。石墨烯成为过去十年全球神奇材料的先驱，进行该研究工作的两位英国科学家为此还获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯有如此多的优良特性，但也有最大的缺点——没有能隙。由于其没有电子轨道能隙，石墨烯不能作为半导体材料与传统的硅基器件集成，这极大地限制了石墨烯的应用。

近年来，更多新型的二维材料作为石墨烯的延伸被科学家们所发现，特别是黑磷的发现，由于其本身存在能隙，可作为可调的半导体，其能够很好地解决石墨烯存在的问题，在下一代纳米电子器件、光电器件及太阳能等众多尖端科技及工业领域比如阻燃材料方面有着极大的应用前景。

近期，美国明尼苏达大学WANG Xiaojia教授和CAMPBELL S教授领导的研究团队，与纽约州立大学石溪分校的XU Du教授团队合作，巧妙地利用28 nm厚的稀有元素合金材料（TbFe）作为光磁热的传感层，精确地测量了黑磷晶体的各向异性热导。黑磷各向异性热导的精确测量，对于进一步制备高性能的纳米电子器件、光电器件、晶体管、5G阻燃材料等领域都有着重要的指导意义。随着对电子相关应用中更好性能的不断要求，进一步提高超级电子材料的热和防火安全性变得非常紧迫，使用黑磷薄片制造阻燃和热稳定及导电的复合材料，黑磷薄片均匀分散在导体基质中。热分析表明，添加黑磷薄片显著提高了电子材料的热稳定性和导电性。锥形量热法结果表明，黑磷薄片加入使导体的峰值放热率和总烟雾产量分别降低60%和40%，表明阻燃性大大提高。流变学测试表明，可燃性和粘弹性行为（储能模量）之间存在几乎定性的相关性。这项工作提供了一种新方法，通过使用黑磷薄片作为多功能填料，创造具有增强的热和阻燃性能的高科技先进复合阻燃材料。磷稀作为超级二维纳米材料，其纳米复合阻燃机制是这样的：因纳米材料以超细的尺寸存在，分散性非常好，所以纳米复合材料的性能比其相应的宏观或微米级复合材料均有较大的改善，其中材料的热稳定性和阻燃性能也会较大幅度的提高。

研究表明，黑磷聚合物纳米复合材料，在热分解和燃烧过程中，形成炭及无机盐多层结构，起到隔热及阻止可燃气体逸出的作用，使高聚物得以阻燃。美国高科技初创公司BLACK P2（USA）Inc.和有关大学的《黑磷5G阻燃材料的应用研究》实验中不但解决了黑磷晶体的剥离问题、分散问题、稳定问题和在环氧中的应用问题，实验中还证明了：在实验的阻燃材料样品中添加磷烯10 g，其阻燃效果完全达到以往实验中需要添加常规阻燃剂100 g的阻燃效果，据此说明只有约常规阻燃剂（比较贵的阻燃剂）的十分之一的含黑磷阻燃剂就可以达到同样效果。接下来，BLACK P2（USA）Inc.将和有关阻燃行业领导机构和科研单位、合作的大学实验室一起，对黑磷在阻燃行业的应用上、标准上进行深入研究。有关研讨会将在今年晚些时候在美国硅谷举行。

展望未来，超级二维纳米材料黑磷将凭借其独特优异的光电特性、出色的阻燃性在航空航天、核电、军事、通信等的阻燃领域发挥不可代替的作用，我们一起期待阻燃领域革命的降临吧。