环氧树脂由于其优异的机械性能、高粘接强度、良好的耐热性和高介电性能而广泛用作涂料、电子材料、粘合剂和纤维增强复合材料。随着国家和地方政府对材料安全和环保要求的逐步提高,越来越多的人已经意识到聚合物潜在的火灾危害。环氧树脂本质易燃且燃烧过程中释放大量有毒烟气。针对环氧树脂存在的以上问题,本论文研制用于环氧树脂火灾防护的石墨烯杂化材料。首先从被动防护的角度出发,合成了一系列石墨烯纳米杂化物,并将其引入环氧树脂基体中,以提高复合材料的火安全性能:其次从主动防护的角度出发,为了进一步降低火灾烟气中对人体危害最大的毒性成分——氧化碳,合成了金属化合物/石墨烯气凝胶整体式催化剂,通过催化氧化有效消除一氧化碳。1.采用一步水热合成法,以正硅酸四乙酯和氧化石墨烯为前驱体,成功合成了一种新型的介孔二氧化硅-石墨烯(Si02-GNS)纳米杂化物。随后,将Si02-GNS添加到环氧树脂中制备Si02-GNS/环氧树脂复合材料,并研究其阻燃性能。与纯环氧树脂相比,Si02-GNS可延长复合材料的点燃时间,同时显著降低环氧基体热释放速率峰值、总热释放量、烟生成速率、总烟释放和一氧化碳释放速率。基于炭渣的残留量、形貌及化学结构的研究,提出了GNS的“屏障效应”和Si02-GNS的“迷宫效应”共同抑制环氧树脂燃烧过程中的热质交换的阻燃机理。2.制备了两种金属氧化物纳米杂化物:SnO2-MnO2和Mn-Cu20,并分别加入到环氧树脂中,以改善其阻燃性能的同时抑制燃烧过程中烟气的释放。热重分析结果表明纳米杂化物的加入可提高环氧树脂复合材料的残炭量,同时显著降低复合材料的最大质量损失速率。锥形量热测试显示,纳米杂化物的添加,可显著改善复合材料的阻燃性能。热重分析-红外光谱联用结果显示,加入纳米杂化物后,环氧树脂的有机挥发物和一氧化碳等可燃性气体的释放量显著降低。金属氧化物纳米杂化物的引入有利于环氧基体形成致密而连续的炭层。完整致密的炭层能够有效阻碍热量和降解产物在燃烧区与降解区之间的传输。金属氧化物的协同催化作用是提高环氧树脂火安全性能的关键。3.合成了金属氧化物/石墨烯杂化物(MO-rGO),以提高环氧树脂的阻燃性能并降低燃烧烟气的毒性。与纯环氧树脂和添加单一rGO或MO的复合材料相比,MO-rGO杂化物显著提高环氧树脂的火安全性能:EP/MO-rGO的热释放行为和烟气释放行为都得到有效抑制。在MO-rGO杂化物中,rGO起到片层阻隔作用,MO表现出催化效应,两组分的协同作用提高了环氧树脂的火安全性能。4.将氧化石墨烯经过还原组装、冷冻干燥和热还原,最终得到石墨烯气凝胶。通过实验验证了石墨烯气凝胶可以作为焦耳加热器实现电阻加热。通过扫描电镜和红外相机表征了该石墨烯气凝胶焦耳加热器的结构和电热性能。研究了石墨烯气凝胶焦耳加热器的热阻和加热/冷却特性,结果表明其可用于局部燃气加热器,催化剂和固体吸附剂的再生。5.制备了两种金属化合物/石墨烯气凝胶整体催化剂:采用湿式浸渍法制备的银/石墨烯气凝胶(Ag/GAs)和采用浸渍-煅烧法制备的铜/石墨烯气凝胶(Cu/GAs)。将电流直接通过这两种整体式催化剂产生焦耳热,使其达到催化反应所需的目标温度。并利用自制的微型反应器-色谱装置研究了其催化一氧化碳氧化的催化活性。测试结果表明两类整体催化剂都具有良好的一氧化碳催化氧化活性:GAs/Ag-6wt%和Cu/GAs-2分别在185 ℃和210℃实现了一氧化碳的完全转化,两者均可以连续工作24 h。研究结果表明石墨烯基气凝胶焦耳热催化系统在火灾应急救援个人防护装备方面的潜在应用提供了一些启发。