硅橡胶泡沫材料是以“Si-O-Si”为主链,有机基团(如甲基、苯基等)为侧链的高分子材料,又被称为海绵硅橡胶。它同时兼具硅橡胶与多孔材料双重特性,具有无毒、轻质、高弹、稳定性、耐高低温、电绝缘性等优异的性能,广泛应用于交通运输、航空航天、电子电器和建筑行业。然而,在高温/火焰环境下,硅橡胶的侧基有机基团会热降解,主链也会发生断裂重排,进而严重影响其结构稳定性和力学可靠性。为了提升其耐高温和阻燃性能,传统的策略主要通过在硅橡胶基体中物理共混高含量无机阻燃剂(如30-50wt%氢氧化铝)或在成型泡孔表面物理涂覆阻燃涂层;但是,这两种策略仍存在诸多问题,如阻燃/力学等性能相互冲突,添加含量高、加工工艺复杂,甚至涉及有机溶剂排放等问题。受到有机硅交联/发泡反应机理与前期有机硅/氧化石墨烯(GO)协同阻燃效应的启发,本文利用含羟基二维纳米材料的均匀水分散液反应发泡硅橡胶,构筑了二维材料在泡孔表面的原位自组装,实现了材料的绿色高效阻燃和力学增强。主要研究内容阐述如下:(1)基于新型二维纳米材料--新型二维过渡金属碳化物(MXene)独特的结构(高比表面积和表面含羟基)和性质(优异的力学、导电等性能),我们合成了高浓度MXene水溶液,利用MXene片表面的羟基基团与含氢硅油的硅氢基团间脱氢反应,原位诱导低含量MXene(0.1-0.2 wt%)在泡孔表面的精确自组装,构筑出与基体强界面作用的致密MXene保护层。该保护层能够显著提升硅橡胶泡沫材料的热稳定性和高温力学稳定性,且对材料的密度几乎没有影响;同时实现了硅橡胶泡沫材料的绿色阻燃。例如,0.2wt%的MXene能够使材料的极限氧指数由纯泡沫的21.5%提升到27.1%,同时能够显著降低材料热释放速率和烟释放速率,为轻质/高弹/阻燃硅橡胶泡沫材料的研制提供了一种新的思路。(2)为了进一步优化二维纳米材料的原位组装,我们选用高浓度的超大尺寸氧化石墨烯(GO)水溶液,并利用双亲表活剂分子改善GO水溶液在有机硅基体中的分散稳定性(乳液法),同时有效调控GO在硅橡胶泡沫的原位自组装,避免物理共混过程中GO片层向基体内部的迁移。研究结果显示:超低量(0.04wt%)的大片层GO能够显著提升硅橡胶泡沫的高低温力学蠕变稳定性和热稳定性。阻燃测试结果进一步说明:相比简单物理共混,双亲分子诱导的GO片层自组装更为显著地抑制燃烧过程中火焰的蔓延高度和速度,进而改善材料的极限氧指数、热释放速率、烟释放量等性能,阻燃等级达到UL94-V0级。燃烧断面分析显示:热分解过程中大片层GO组装层与有机硅分子会形成致密的纳米二氧化硅/石墨烯保护层,进而有效抑制外部氧气和热量对内部有机分子的进攻,实现卓越的协同阻燃效应。这为二维纳米材料原位反应发泡硅橡胶材料结构和性能的优化提供了新的策略和方法。