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六方氮化硼功能化改性策略及其对聚乙烯醇复合材料热稳定与阻燃性能的影响研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在材料科学领域，随着科技的飞速发展，对高性能复合材料的需求日益增长。六方氮化硼（h-BN）作为一种具有独特结构和优异性能的无机材料，近年来受到了广泛关注。h-BN具有与石墨类似的层状结构，因此被称为“白色石墨烯”。其具备高导热率、良好的电绝缘性、化学稳定性以及机械强度等优点，在电子、航空航天、能源等众多领域展现出巨大的应用潜力。然而，原始h-BN表面化学惰性强，与聚合物基体的相容性较差，导致其在复合材料中的分散性不佳，这在很大程度上限制了其性能的充分发挥。

聚乙烯醇（PVA）是一种常见的水溶性聚合物，具有良好的成膜性、生物相容性和可降解性，被广泛应用于包装、纺织、生物医学等领域。但是，PVA的热稳定性和阻燃性能相对较低，限制了其在一些对材料性能要求较高的领域的应用。将h-BN与PVA复合，可以综合两者的优势，制备出具有优异热稳定、阻燃性能的复合材料。然而，为了实现h-BN在PVA基体中的均匀分散和良好的界面结合，对h-BN进行功能化改性是关键。

通过对h-BN进行功能化改性，可以引入活性官能团，改善其表面性质，增强与PVA基体的相互作用，从而提高复合材料的性能。功能化改性后的h-BN/PVA复合材料有望在电子封装、阻燃材料、高温防护等领域得到应用，为解决实际工程中的材料性能需求提供新的解决方案。因此，开展六方氮化硼功能化改性及其聚乙烯醇复合材料的热稳定、阻燃性能研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1六方氮化硼功能化改性研究进展

六方氮化硼的功能化改性方法主要包括共价改性和非共价改性。共价改性是通过化学反应在h-BN表面引入活性官能团，如羟基、氨基等。例如，利用过氧化氢法对h-BN进行羟基化改性，经羟基化改性后的六方氮化硼可通过酯化反应进一步连接有机碳链，应用于生物工艺、基质填充等众多领域，大大拓宽了其应用领域。然而，共价改性过程较为复杂，可能会破坏h-BN的原有结构，影响其本征性能。

非共价改性则是通过物理作用，如π-π相互作用、路易斯酸碱相互作用等，在h-BN表面吸附改性剂。基于路易斯酸碱之间的相互作用，烷基胺和h-BN通过烷基胺中氮原子存在的孤对电子作为路易斯碱，氨化硼中硼原子中的p空轨道作为路易斯酸来接受烷基胺中氨原子的孤对电子，在一定程度改善了氮化硼的分散性。非共价改性的优点是不会破坏h-BN的结构，但改性效果相对较弱，稳定性较差。

目前，h-BN功能化改性研究虽然取得了一定成果，但仍面临一些挑战。如何在保证h-BN本征性能的前提下，实现高效、稳定的功能化改性，以及如何进一步优化改性工艺，降低成本，是亟待解决的问题。

1.2.2六方氮化硼/聚乙烯醇复合材料研究现状

在h-BN/PVA复合材料的制备方面，常见的方法有溶液共混法、原位聚合法等。溶液共混法是将h-BN和PVA溶解在适当的溶剂中，通过搅拌、超声等手段使其均匀混合，然后去除溶剂得到复合材料。这种方法操作简单，但h-BN在PVA基体中的分散性难以保证。原位聚合法是在PVA单体聚合过程中加入h-BN，使h-BN在聚合物基体中均匀分散并形成化学键合，从而提高复合材料的性能，但该方法工艺复杂，成本较高。

性能研究方面，h-BN的加入可以显著提高PVA复合材料的热稳定性和阻燃性能。通过真空辅助过滤工艺，实现了h-BN纳米片在PVA基体中的高度定向组装，制备的h-BN/PVA仿生复合薄膜兼具高太阳反射率、宽带中红外发射率以及高热导率。然而，当前研究中仍存在一些问题，如h-BN与PVA基体的界面结合强度有待进一步提高，复合材料的综合性能提升幅度有限等。

1.3研究内容与创新点

本研究旨在通过对h-BN进行功能化改性，制备高性能的h-BN/PVA复合材料，并深入研究其热稳定、阻燃性能。具体研究内容包括：采用合适的共价或非共价改性方法，对h-BN进行功能化处理，引入特定的官能团，改善其表面性质；通过溶液共混等方法，将功能化改性后的h-BN与PVA复合，制备不同h-BN含量的复合材料；利用热重分析、差示扫描量热分析、极限氧指数测试、垂直燃烧测试等手段，系统研究复合材料的热稳定、阻燃性能；借助扫描电子显微镜、透射电子显微镜等表征技术，分析h-BN在PVA基体中的分散状态以及复合材料的微观结构，探讨功能化改性对复合材料性能的影响机制。

本研究的创新点主要体现在以下两个方面：一是提出了一种新的h-BN功能化改性方法，将共价改性和非共价改性相结合，充