黑磷在阻燃方面的應用研究

美國黑磷科學學會秘書長 張 森

隨著現代科學技術的不斷發展以及人類生產、生活的不斷進步，人們對阻燃材料的安全性以及防火性能要求也越來越高，特別是核能源工業，大飛機、高速列車、電動汽車、高精尖電子產業，航空航天，5G、6G通信設備，海洋情報信息系統和軍事裝備等國防和工業領域都面臨著一系列關鍵阻燃材料的技術突破問題。目前，市場上的阻燃材料包括有機阻燃材料以及無機阻燃材料。有機阻燃材料主要是鹵素添加劑，添加了鹵素阻燃劑的材料在燃燒過程中可以釋放鹵化氫，獲得活性低的自由基，從而阻止燃燒鏈傳遞，減緩燃燒。無機阻燃材料主要包括磷酸鹽、紅磷等。

常用的磷系阻燃材料可使阻燃劑實現無鹵化，其增塑功能可使塑料成型時流動加工性變好，可抑制燃燒后的殘余物，產生的毒性氣體和腐蝕性氣體比鹵系阻燃劑少，且阻燃效率高，對光穩定性或光穩定劑作用的影響較小，加工和燃燒中腐蝕性小，有阻礙復燃的作用，極少或不增加阻燃材料的質量。缺點是揮發性大、耐熱性差、相容性不理想，而且在燃燒時有滴落物產生等。因此，研究新型的阻燃劑，提高電子材料的熱穩定性和防火安全性，是科學家在阻燃領域重點研究的課題。

說黑磷之前，我們先說說石墨烯。過去十年，單層石墨統治了二維材料世界，其碳原子以層分布，就像蜂窩，人們稱之為石墨烯。石墨烯的強度比鋼高，導電性比銅高，延展性比橡膠好。所有這些性質相結合，使之成為熱和電的優良導體。它的原子層毫無缺陷，防止一切原子、分子滲透進入。石墨烯成為過去十年全球神奇材料的先驅，進行該研究工作的兩位英國科學家為此還獲得了諾貝爾物理學獎。石墨烯有如此多的優良特性，但也有最大的缺點——沒有能隙。由于其沒有電子軌道能隙，石墨烯不能作為半導體材料與傳統的硅基器件集成，這極大地限制了石墨烯的應用。

近年來，更多新型的二維材料作為石墨烯的延伸被科學家們所發現，特別是黑磷的發現，由于其本身存在能隙，可作為可調的半導體，其能夠很好地解決石墨烯存在的問題，在下一代納米電子器件、光電器件及太陽能等眾多尖端科技及工業領域比如阻燃材料方面有著極大的應用前景。

近期，美國明尼蘇達大學WANG Xiaojia教授和CAMPBELL S教授領導的研究團隊，與紐約州立大學石溪分校的XU Du教授團隊合作，巧妙地利用28 nm厚的稀有元素合金材料（TbFe）作為光磁熱的傳感層，精確地測量了黑磷晶體的各向異性熱導。黑磷各向異性熱導的精確測量，對于進一步制備高性能的納米電子器件、光電器件、晶體管、5G阻燃材料等領域都有著重要的指導意義。隨著對電子相關應用中更好性能的不斷要求，進一步提高超級電子材料的熱和防火安全性變得非常緊迫，使用黑磷薄片制造阻燃和熱穩定及導電的復合材料，黑磷薄片均勻分散在導體基質中。熱分析表明，添加黑磷薄片顯著提高了電子材料的熱穩定性和導電性。錐形量熱法結果表明，黑磷薄片加入使導體的峰值放熱率和總煙霧產量分別降低60%和40%，表明阻燃性大大提高。流變學測試表明，可燃性和粘彈性行為（儲能模量）之間存在幾乎定性的相關性。這項工作提供了一種新方法，通過使用黑磷薄片作為多功能填料，創造具有增強的熱和阻燃性能的高科技先進復合阻燃材料。磷稀作為超級二維納米材料，其納米復合阻燃機制是這樣的：因納米材料以超細的尺寸存在，分散性非常好，所以納米復合材料的性能比其相應的宏觀或微米級復合材料均有較大的改善，其中材料的熱穩定性和阻燃性能也會較大幅度的提高。

研究表明，黑磷聚合物納米復合材料，在熱分解和燃燒過程中，形成炭及無機鹽多層結構，起到隔熱及阻止可燃氣體逸出的作用，使高聚物得以阻燃。美國高科技初創公司BLACK P2（USA）Inc.和有關大學的《黑磷5G阻燃材料的應用研究》實驗中不但解決了黑磷晶體的剝離問題、分散問題、穩定問題和在環氧中的應用問題，實驗中還證明了：在實驗的阻燃材料樣品中添加磷烯10 g，其阻燃效果完全達到以往實驗中需要添加常規阻燃劑100 g的阻燃效果，據此說明只有約常規阻燃劑（比較貴的阻燃劑）的十分之一的含黑磷阻燃劑就可以達到同樣效果。接下來，BLACK P2（USA）Inc.將和有關阻燃行業領導機構和科研單位、合作的大學實驗室一起，對黑磷在阻燃行業的應用上、標準上進行深入研究。有關研討會將在今年晚些時候在美國硅谷舉行。

展望未來，超級二維納米材料黑磷將憑借其獨特優異的光電特性、出色的阻燃性在航空航天、核電、軍事、通信等的阻燃領域發揮不可代替的作用，我們一起期待阻燃領域革命的降臨吧。