建筑能耗約占我國能源總消耗量的30%，使用保溫材料可以實現(xiàn)建筑節(jié)能，對于解決我國的能源、資源緊缺問題顯得尤為重要且必要。目前，建筑市場上采用的以聚氨酯泡沫板為代表的有機保溫材料具有質輕、導熱系數(shù)低、保溫性能好等優(yōu)點，作為節(jié)能建筑的隔熱材料極具吸引力，但同時具有易燃、易老化、耐久性差的缺點，特別是其易燃性將會帶來嚴重建筑火災安全隱患。阻燃涂料的使用是解決這一問題的有效手段之一，然而大多數(shù)現(xiàn)有的阻燃涂料仍然存在使用過程中與聚合物泡沫的界面粘附性較差的缺點。

【成果簡介】

最近，澳大利亞南昆士蘭大學王浩教授團隊宋平安副教授與中科大余彬研究員受自然界中蝸牛和樹蛙粘附機制的啟發(fā)，設計了一種具有高粘合性的水性阻燃納米結構的聚合物涂層。相關論文以 ”Bioinspired, Highly Adhesive, Nanostructured Polymeric Coatings for Superhydrophobic Fire-Extinguishing Thermal Insulation Foam”為題，發(fā)表在《ACS NANO》上。浙江農林大學碩士研究生馬哲文和徐瀟東為論文的共同第一作者。7月23日，該論文以 “Polymeric fire-extinguishing coatings” 為題被國際著名學術期刊《Science》的編輯 Lavine博士選為最新一期的Editors' Choice（https://science.sciencemag.org/content/373/6553/twil）。

【本文亮點】

（1）以丙烯酸羥乙酯（HEA）和乙烯基磺酸鈉（VS）為原料，通過自由基共聚反應合成了一種水性poly（VS-co-HEA）共聚物。共聚物中豐富的羥基通過界面氫鍵使其具有很強的界面附著力。同時，VS中的磺酸鈉基團提供了阻燃性，并且還誘導產生了能與聚氨酯（PU）表面產生機械互鎖的相分離的微/納米結構。（2）通過進一步對涂層的疏水處理以降低其對水分的敏感性，從而表現(xiàn)出超疏水特征（水接觸角超過151°）。此外，除了高剪切粘結強度（＞2.2 MPa）外，經poly(VS-co-HEA)處理的硬質聚氨酯泡沫塑料還表現(xiàn)出了高達35.5%的極限氧指數(shù)（LOI），達到了理想的UL-94 V-0等級，并且最大熱釋放速率（PHRR）（降低87%）和總煙霧釋放量（TSR）（降低71%）顯著降低，優(yōu)于以往的阻燃PU泡沫塑料。

【圖文解析】

首先，對阻燃涂料進行了仿生設計。為了模擬蝸牛粘液的黏附性，選擇含羥基的HEA作為單體，通過氫鍵相互作用使共聚物涂層對PU泡沫基板產生較強的界面附著力。同時，篩選出了含磺酸鈉的VS作為共聚單體，使涂料具備所需的防火性能。此外，由于VS與HEA有很強的極性差異，最終共聚物中的VS離子片段誘導產生了能與聚氨酯（PU）表面產生機械互鎖的相分離的微/納米結構。如圖1所示。

圖1.（a）仿生阻燃涂料poly（VS-co-HEA）的合成和（b）poly（VS50-co-HEA50）典型的相分離微/納米結構。（c）阻燃PU硬泡（FRPU）的制備過程示意圖。（d）PU硬泡的拉伸剪切粘結強度測試示意圖。（e）poly（VS-co-HEA）涂料粘合PU硬泡在剪切測試后的數(shù)碼照片，在測試期間，PU硬泡自身率先發(fā)生破裂。（f）與過去的以及一些商用膠粘劑相比，poly（VS-co-HEA）涂層對不同基材的剪切粘結強度。（g）PU硬泡易燃性檢測裝置示意圖。樣品在酒精燈上方引燃15分鐘后，由IR攝像機記錄（h）未處理的PU和（i）FRPU-60/40-6000μm的上表面溫度（TST）。樣品厚度約3.0 cm（j）PU和FRPU的TST隨燃燒時間變化曲線。

錐形量熱法是評估材料在真實火災場景下燃燒行為的有力工具，通過該測試了解FRPU的阻燃性能，記錄了其HRR、THR、TSR和質量損失率(MLR)隨時間變化規(guī)律。如圖2所示.

圖2.熱輻射功率為35 kW/m2時的（a）熱釋放速率、（b）總煙釋放和（c）質量損失曲線。（d）PU和FRPU 的火災性能指數(shù)（FPI）。（e）PU 和 FRPU 的 LOI 和UL-94等級。樣品表面涂層厚度皆為600 μm。（f）設計的FRPU與先前報道的阻燃PU泡沫材料的性能對比圖（PHRR reduction-LOI）。

為了進一步闡明poly(VS-co-HEA)在凝聚相中發(fā)揮的作用方式，研究了PU和FRPU-60/40-600μm的殘?zhí)拷Y構和形態(tài)，如圖3所示。

圖3.錐形量熱測試后（a）PU和（b）FRPU-60/40殘?zhí)康腟EM圖像以及元素組成。殘?zhí)康模╟）IR光譜和（d）XRD 圖譜。（e）PU 和（f）FRPU 的燃燒過程隨燃燒時間變化示意圖。

保溫性能是硬質聚氨酯泡沫在建筑中實際應用的另一個重要指標。為了直觀地評估FRPU硬泡的隔熱性能，我們特意設計了一個裝置來檢測樣品在80℃熱臺上的TST，如圖4所示。

圖4 .（a）泡沫隔熱性能評估裝置設計。PU和FRPU的（b）TST-時間曲線和（c）硬泡樣品在80°C熱臺上放置30 min后側面溫度的紅外熱象圖。（d）PU硬泡、poly(VS60-co-HEA40)涂層以及不同厚度涂層的FRPU-60/40硬泡在20℃時的導熱系數(shù)。（e）PU硬泡和涂層含有5 wt% HGM的FRPU-60/40硬泡的導熱系數(shù)以及導熱系數(shù)隨測試溫度變化規(guī)律。（f）含HGM的FRPU的導熱性示意圖。

【小結】

綜上，受蝸牛和樹蛙粘附機制的啟發(fā)，作者通過自由基共聚合成了具有相分離微/納米結構的阻燃水性poly(VS-co-HEA)涂層。由于結合了界面氫鍵和機械互鎖作用，該涂層對聚氨酯泡沫塑料、木材、聚乳酸、環(huán)氧樹脂和鋼材等各種基材皆具有很強的界面附著力, 同時，表面處理后的PU硬泡表現(xiàn)出超疏水特性。除了高達35.5%的LOI值和UL-94 V-0阻燃級別，阻燃泡沫具有自熄滅的能力，其綜合阻燃性能優(yōu)于之前報道的阻燃PU泡沫。阻燃處理后的PU硬泡的熱導率不僅可以較好地保持，而且可以精確的預測。這項工作提供了一種制備高粘結力的阻燃聚合物涂層的仿生思路，可用于諸多易燃基材，在建筑、電氣、海洋和交通等領域具有潛在的應用前景。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c02254