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馬哲文，馮家兵，霍思琪，孫子琪，SergeBourbigot，王浩，高杰峰，唐龍成，宋正平安
近日，同濟大學鄭威研究員與澳大利亞南昆士蘭大學宋 平安教授合作，設計開發(fā)了一種新型的貽貝啟發(fā)型全聚合物防火涂層。該涂層通過引入鄰苯二酚（catechol）、磷酸（phosphonic）和羥乙基（hydroxyethyl）等多種功能基團的協(xié)同作用，成功實現(xiàn)了材料的自愈合特性、強粘附性以及高 效阻燃性能(圖1)。
研究團隊采用“基團協(xié)同”設計策略，開發(fā)出一種新型水性聚合物涂層（PVHDx），這種涂層可以通過一系列動態(tài)非共價相互作用，能夠在常溫下迅速自愈，并與各種極性或非極性基材（如鋼材、木材、聚氨酯、棉布、聚苯乙烯泡沫和聚乙烯）形成強粘附性。另一方面，PVHDx表現(xiàn)出更弱的熱釋放行為，表明三種單體在防火性能方面具有協(xié)同效應。其在遇到火焰時可快速形成一個致密的、結構完整的碳層，極大地提高了材料的耐火性。實驗結果表面，厚度僅為200μm的PVHDx涂層能在持續(xù)的丁烷火焰進攻下保持結構穩(wěn)定并產生膨脹碳層(圖1)。
另一方面，自愈特性使表面涂層在損傷后能夠自發(fā)地恢復其保護功能，并在易損傷的外部環(huán)境中發(fā)揮其功能。為模擬真實缺陷，研究團隊通過刀片劃傷或針刺穿破壞PVHD7涂層，通過濕潤缺陷區(qū)域，使其在室溫下成功自愈。并通過變溫紅外、動態(tài)流變測試解釋了該行為：氫鍵和π-π堆積的動態(tài)可逆性質是水介導自愈的原因(圖2)。
EPS廣泛用于建筑隔熱領域，但表現(xiàn)出極度易燃的缺點，在此我們選擇其作為驗證PVHDx防火能力的基體材料?；谝延械酿じ嚼碚摚锤哒掣綇姸葰w因于高內聚能密度(CED)和界面粘附能(IAE)，通過分子動力學模擬計算解釋了PVHDx具有比作為對照的二元共聚物更強的黏附力，這也與單塔接拉伸剪切實驗結果相吻合。PVHDx對EPS的強附著力主要是由于其苯環(huán)與鄰苯二酚基團之間的相互作用。因此，證明了PVHDx在EPS表面的適用性，且三種單體在提高PVHDx涂層的CED和粘接能力方面也具有協(xié)同作用(圖3)。
EPS泡沫、市售B 1級阻燃EPS泡沫和PVHD7涂敷的EPS泡沫的防火對比，將其分別固定在木屋模型外側來模擬房屋保溫外墻。在丁烷火焰進攻下EPS@PVHD7泡沫在整個點火過程中都不能被點燃，因此它后側的木屋只在火焰附近出現(xiàn)了6℃的升溫，不僅保持了其整體結構和尺寸，而且在火焰下產生了堅固的膨脹焦層，這種炭層使泡沫即使在猛烈的火焰(≈1100°C)下也能維持相對穩(wěn)定的溫度，從而為后方的木屋提供所需的防火保護。與之形成鮮明對比，EPS和EPS-B1泡沫保護的木屋皆在點火后發(fā)生劇烈燃燒直至木屋完全損毀(圖4)。
PVHD7涂層的防火性能表現(xiàn)。經~200μm涂層處理的EPS泡沫表現(xiàn)出高達40.5 vol%的極限氧指數(shù)（LOI），達到了理想的UL-94V-0等級，并且**大熱釋放速率（PHRR）（降低87%），峰值煙釋放（PSPR）（降低82%）和**大CO生成（PCOP）（降低59%）顯著降低，引燃時間（TTI）顯著延長（延長395s）。材料綜合性能明顯優(yōu)于此前文獻報道的各類阻燃EPS（圖5）。這主要是由于三元共聚物涂層不僅可以稀釋可燃氣體(通過釋放如水蒸氣、CO2和N2等)，還可以通過釋放含磷自由基(如·PO3H2)猝滅氣相中的活性自由基來抑制連鎖反應。除此之外，得益于PVHD7在高熱下形成完整炭層的能力(polyHEA的脫水環(huán)化、polyDAMA在酸促進下的氧化交聯(lián))，防火涂層也在凝聚相中發(fā)揮作用。
PVHD7涂層對多種基材的防火保護。PVHD7處理后各類聚合物泡沫、木材和織物都更難被引燃，且表現(xiàn)出更低的熱釋放，更高的殘?zhí)柯?。此外，PVHD7同樣適用于不可燃基體，涂層處理能夠顯著減緩鋼材在持續(xù)灼燒過程中的升溫速率(圖6)。該阻燃涂層策略在不同基材上表現(xiàn)出很高的適用性，有望未來在建筑領域的廣泛運用。
以上研究成果近期以“Mussel-Inspired，Self-Healing，HighlyEffectiveFullyPolymericFire-RetardantCoatingsEnabledbyGroupSynergy”為題，發(fā)表在《AdvancedMaterials》上。同濟大學材料科學與工程學院博士研究生馬哲文為文章第 一作者，同濟大學鄭威研究員和澳大利亞南昆士蘭大學宋 平安教授為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了項目得到了國家自然科學基金、上海市浦江人才計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項和澳大利亞研究理事會的支持。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202410453
