表面反应性纳米复合材料提升乙丙橡胶热稳定性与阻燃性的创新研究

针对乙丙橡胶(EPDM)在高温环境下阻燃性和热稳定性不足的问题，中国科学技术大学研究人员通过表面改性反应性氮化硼杂化纳米颗粒(h-BN-APVAC)，构建了动态热交换介导的硫网络交联体系。该材料使热释放率、总热释放和烟雾产生量分别降低37.5%、37.0%和46.1%，同时保持优异机械性能，为极端环境应用提供了新型基础材料解决方案。

　　

在高温高压等极端工况下，乙丙橡胶(EPDM)虽以其卓越的耐候性和弹性广泛应用于密封件和汽车部件，却面临着热导率低、机械能耗散快等瓶颈问题。尤其当应用于大功率电子器件散热系统时，材料的热降解加速和阻燃性能不足可能引发严重安全隐患。传统阻燃添加剂如氢氧化铝虽成本低廉，但高添加量会导致机械性能断崖式下跌，而氮化硼(h-BN)纳米片虽具备各向异性导热特性，却因强范德华力易团聚失效。这些矛盾制约着EPDM在高端领域的应用突破。

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的研究团队创新性地设计出丙烯酸酯功能化氮化硼杂化颗粒(h-BN-APVAC)，通过多步化学修饰实现了纳米填料与橡胶基体的分子级耦合。该成果发表于《Applied Surface Science Advances》，揭示了表面反应性纳米材料在聚合物改性中的协同增强机制。

研究采用球磨羟基化、硅烷偶联剂嫁接和醛胺缩合等关键技术，构建了具有末端烯烃的h-BN-APVAC纳米杂化体。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)证实了B-N-B环振动峰(1400 cm^?1)的位移和羟基特征峰(3450 cm^?1)的拓宽，X射线光电子能谱(XPS)则检测到B-O-Si键(192.1 eV)的新生成，验证了界面化学键的形成。锥形量热测试显示，改性后的EPDM复合材料峰值热释放率(pHRR)降至271.6 kW/m²，较纯EPDM下降37.5%，且燃烧残炭呈现连续致密的蜂窝状结构。

在"Characterization and analysis of h-BN-APVAC"部分，热重分析(TGA)表明h-BN-APVAC使EPDM初始分解温度提升48°C，800°C残炭率增加2.3倍。动态机械分析(DMA)揭示储能模量提高214%，归因于纳米片引发的硫交联网络重构。通过同步辐射小角X射线散射(SAXS)，研究人员观察到h-BN-APVAC在基体中呈现取向排列，形成三维导热通路。

结论部分指出，该研究开创性地将h-BN的催化炭化功能与橡胶硫化过程相结合：一方面，纳米片边缘的酚羟基促进交联密度提升；另一方面，表面丙烯酸酯链参与迈克尔加成反应，构建了"纳米增强相-弹性网络"的双重保护体系。经过150°C×72h老化实验，改性EPDM的拉伸强度保留率达89.2%，远高于常规阻燃体系的63.5%。这项工作为开发下一代耐极端环境高分子材料提供了新范式，其表面反应性设计策略可延伸至硅橡胶、氟橡胶等特种弹性体的功能化改性。