《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Epoxy resin composite coatings enhanced with CNTs-DA/ silica aerogel for superior heat insulation and flame retardancy
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本研究开发了一种新型碳基纳米填料CNTs-DA，通过KH550桥接法结合DOPO，将其与气凝胶SA和环氧树脂EP制备成多功能涂层，兼具隔热和阻燃性能。当CNTs-DA负载量为5 wt%时，涂层形成均匀的三维网络结构，使峰值热释放速率（pHRR）和总热释放量（THR）分别降低36.69%和26.48%，隔热温度提升至64.8°C，较纯SA涂层提高5.2°C。协同效应显著，CNTs-DA通过延长热传导路径有效提升隔热性能，证实均匀分散的SA与CNTs-DA可赋予EP涂层优异的隔热和阻燃性能。
作者：傅乐|谭楠楠|刘腾|谢尔盖·维克托罗维奇·帕宁|农志生
中国辽宁省沈阳市沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，邮编110136
摘要
本研究通过一种桥接方法制备了一种新型碳基纳米填料CNTs-DA，随后将其与隔热填料二氧化硅气凝胶（SA）和环氧树脂（EP）粘合剂结合，制备出兼具隔热和阻燃性能的多功能涂层。结果表明，加入CNTs-DA后，涂层的阻燃效率先增加后减少。当CNTs-DA的添加量为5%（质量百分比）时，涂层中形成了均匀的三维网络结构。与未添加CNTs-DA的样品相比，其峰值热释放率（pHRR）和总热释放量（THR）分别降低了36.69%和26.48%。在200°C时，含有5% CNTs-DA的EP涂层具有最佳隔热性能，其隔热温度为64.8°C；而仅含SA的EP涂层隔热温度为59.6°C。SA与CNTs-DA之间的协同作用提升了复合涂层的隔热性能。CNTs-DA通过有效延长热传导路径来增强隔热效果。本研究表明，均匀分散的SA和CNTs-DA可以协同赋予EP涂层优异的隔热和阻燃性能。
引言
近年来，随着新材料和先进技术的不断突破，兼具高效隔热和优异阻燃性能的功能性涂层在材料科学领域迅速成为备受关注的前沿方向。[1]、[2]、[3] 这些涂层具有广泛的应用前景：可用于电池包外壳、电池表面或模块之间，以防止热失控和火灾；涂覆在钢结构、木材和混凝土表面，以提高防火性能；应用于发动机舱、燃料箱等关键区域，提供隔热和防火保护；用于电路板和电池外壳，防止过热和短路；以及应用于管道、储罐等高温设备表面，减少热量损失和火灾风险。[4]、[5]、[6] 与传统隔热和阻燃材料相比，这些涂层在保持轻量化的同时，具有更高的高温稳定性，更符合未来发展趋势。[7]、[8]、[9]
现代隔热涂层主要基于三种热传递调节机制进行分类：热障型、反射型和辐射型。[10]、[11] 热障型涂层通过在基体中添加导热系数极低的填料来实现隔热效果，其核心作用是提高涂层的隔热性能。[12]、[13] 为达到最佳效果，填料的体积浓度通常接近临界颜料体积浓度。同时，所选填料的导热系数必须远低于粘合剂基体的导热系数。在这种涂层中，高阻隔性的填料阻碍了热传递，从而抑制了热量流动。只有少量热量通过填料之间的间隙或孔隙传递，从而实现高效隔热。[14]、[15]、[16] 当使用多孔填料时，内部热传导包括通过材料骨架的固体传导和在微孔内的气体传导。在新兴的隔热材料中，二氧化硅气凝胶（SA）因其优异的性能而受到广泛关注。SA具有独特的三维纳米多孔结构、高孔隙率和超低导热系数，被认为是目前最先进的隔热材料之一。[15]、[17]、[18]
碳纳米管（CNTs）已成为阻燃材料领域的基础研究重点，被视为下一代阻燃剂的候选材料。[19]、[20] CNTs具有出色的强度和刚性，是一维纳米材料的理想选择。多项研究探讨了其在复合材料中的应用，表明CNTs的加入可以改善机械性能、热稳定性和耐烧蚀性。[21]、[22] 此外，CNTs的低密度有助于减轻整体材料重量。然而，CNTs的阻燃效率很大程度上取决于其在聚合物基体中的分散情况。[23]、[24] 分散良好的CNTs有助于形成连续的炭层，有效阻挡热量和可燃气体的渗透。林等人[25]通过纳米TiC改性CNTs，改善了碳纳米管的分散性，从而提升了最终产品的机械和热性能。王等人[26]在CNTs表面涂覆SiO2，提高了碳纳米管的分散性，并将其用作三元乙烯-丙烯橡胶绝缘材料的填料，最佳样品的线燃烧速率降低了51%。王等人[27]制备了CNTs@PDA@LDH（CPL）混合材料，减少了LDH纳米片和CNTs的聚集，将这种混合材料按一定比例添加到水性环氧防火涂料中，提升了热阻力和阻燃性能。这些研究均表明，CNTs的分散质量对基体性能有显著影响。
为了提高CNTs的分散性并增强阻燃效率，本研究采用了一种桥接方法，创新性地使用KH550将CNTs与另一种高效阻燃剂9,10-二氢-9-氧代-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO）连接起来，制备了新型碳基纳米阻燃剂CNTs-DA。阻燃剂CNTs-DA作为阻燃成分，SA作为隔热填料，环氧树脂作为粘合剂，制备出具有隔热和阻燃性能的涂层。通过系统评估，分析了涂层的消防安全性能和热屏蔽效果，并通过分析凝结相中炭残留层的形态和结构解释了消防安全机制。
材料
环氧树脂（EP）、分散剂（SN-5040，25°C时的粘度为80 mPa·s）、消泡剂（NXZ，25°C时的粘度为80 mPa·s）、pH调节剂（聚胺，4,4'-二氨基二苯甲烷65%-75%，2,4'-二氨基二苯甲烷，苯基甲烷聚胺25%-35%，苯胺<0.05%，水<0.1%）和固化剂（235B，环氧/聚胺=1.9）由沈阳顺峰工业集团（中国）提供。颗粒状二氧化硅气凝胶购自南蓝节能科技有限公司（中国）。CNTs-COOH由...
CNTs-DA的微观结构
图2展示了原始CNTs-COOH和改性CNTs-DA的透射电子显微镜（TEM）图像。图2(a-b)显示了不同放大倍数的CNTs-COOH的TEM图像。CNTs-COOH的CNT壁结构清晰可见。相比之下，图2(c-d)显示，CNTs-DA中的CNT壁变得模糊粗糙，这是由于DA层的存在，DA层有效增加了CNTs之间的物理间距，大大减弱了范德华力。
图3(a)展示了...
结论
本研究成功制备了CNTs–DA复合材料，并将其与SA一起作为高效隔热填料引入EP复合涂层中。系统研究了这两种成分对涂层隔热和阻燃性能的协同增强作用。
XPS和红外光谱证实了CNTs–DA的化学合成，TEM图像清晰显示了附着在CNT壁上的DA层。
作者贡献声明
傅乐：撰写初稿、数据整理。谭楠楠：撰写初稿、形式分析、概念构思。刘腾：撰写、编辑与方法论设计、数据整理。谢尔盖·维克托罗维奇·帕宁：撰写、编辑与概念构思。农志生：撰写、编辑与资源获取、资金申请、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家外国专家支持重点项目（项目编号D20240016）和辽宁省高校基本研究经费（项目编号LT232410143005、LJ232410143034和LJ222410143079）的资助。
