建筑能耗約占我國(guó)能源總消耗量的30%，使用保溫材料可以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，對(duì)于解決我國(guó)的能源、資源緊缺問(wèn)題顯得尤為重要且必要。目前，建筑市場(chǎng)上采用的以聚氨酯泡沫板為代表的有機(jī)保溫材料具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，作為節(jié)能建筑的隔熱材料極具吸引力，但同時(shí)具有易燃、易老化、耐久性差的缺點(diǎn)，特別是其易燃性將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重建筑火災(zāi)安全隱患。阻燃涂料的使用是解決這一問(wèn)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(guò)程中與聚合物泡沫的界面粘附性較差的缺點(diǎn)。

【成果簡(jiǎn)介】

最近，澳大利亞南昆士蘭大學(xué)王浩教授團(tuán)隊(duì)宋平安副教授與中科大余彬研究員受自然界中蝸牛和樹(shù)蛙粘附機(jī)制的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種具有高粘合性的水性阻燃納米結(jié)構(gòu)的聚合物涂層。相關(guān)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(nóng)林大學(xué)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(guó)際著名學(xué)術(shù)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(diǎn)】

（1）以丙烯酸羥乙酯（HEA）和乙烯基磺酸鈉（VS）為原料，通過(guò)自由基共聚反應(yīng)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(guò)界面氫鍵使其具有很強(qiáng)的界面附著力。同時(shí)，VS中的磺酸鈉基團(tuán)提供了阻燃性，并且還誘導(dǎo)產(chǎn)生了能與聚氨酯（PU）表面產(chǎn)生機(jī)械互鎖的相分離的微/納米結(jié)構(gòu)。（2）通過(guò)進(jìn)一步對(duì)涂層的疏水處理以降低其對(duì)水分的敏感性，從而表現(xiàn)出超疏水特征（水接觸角超過(guò)151°）。此外，除了高剪切粘結(jié)強(qiáng)度（＞2.2 MPa）外，經(jīng)poly(VS-co-HEA)處理的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料還表現(xiàn)出了高達(dá)35.5%的極限氧指數(shù)（LOI），達(dá)到了理想的UL-94 V-0等級(jí)，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(duì)阻燃涂料進(jìn)行了仿生設(shè)計(jì)。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(guò)氫鍵相互作用使共聚物涂層對(duì)PU泡沫基板產(chǎn)生較強(qiáng)的界面附著力。同時(shí)，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(qiáng)的極性差異，最終共聚物中的VS離子片段誘導(dǎo)產(chǎn)生了能與聚氨酯（PU）表面產(chǎn)生機(jī)械互鎖的相分離的微/納米結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。（c）阻燃PU硬泡（FRPU）的制備過(guò)程示意圖。（d）PU硬泡的拉伸剪切粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試示意圖。（e）poly（VS-co-HEA）涂料粘合PU硬泡在剪切測(cè)試后的數(shù)碼照片，在測(cè)試期間，PU硬泡自身率先發(fā)生破裂。（f）與過(guò)去的以及一些商用膠粘劑相比，poly（VS-co-HEA）涂層對(duì)不同基材的剪切粘結(jié)強(qiáng)度。（g）PU硬泡易燃性檢測(cè)裝置示意圖。樣品在酒精燈上方引燃15分鐘后，由IR攝像機(jī)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(shí)間變化曲線。

錐形量熱法是評(píng)估材料在真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)景下燃燒行為的有力工具，通過(guò)該測(cè)試了解FRPU的阻燃性能，記錄了其HRR、THR、TSR和質(zhì)量損失率(MLR)隨時(shí)間變化規(guī)律。如圖2所示.

圖2.熱輻射功率為35 kW/m2時(shí)的（a）熱釋放速率、（b）總煙釋放和（c）質(zhì)量損失曲線。（d）PU和FRPU 的火災(zāi)性能指數(shù)（FPI）。（e）PU 和 FRPU 的 LOI 和UL-94等級(jí)。樣品表面涂層厚度皆為600 μm。（f）設(shè)計(jì)的FRPU與先前報(bào)道的阻燃PU泡沫材料的性能對(duì)比圖（PHRR reduction-LOI）。

為了進(jìn)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(jié)構(gòu)和形態(tài)，如圖3所示。

圖3.錐形量熱測(cè)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(guò)程隨燃燒時(shí)間變化示意圖。

保溫性能是硬質(zhì)聚氨酯泡沫在建筑中實(shí)際應(yīng)用的另一個(gè)重要指標(biāo)。為了直觀地評(píng)估FRPU硬泡的隔熱性能，我們特意設(shè)計(jì)了一個(gè)裝置來(lái)檢測(cè)樣品在80℃熱臺(tái)上的TST，如圖4所示。

圖4 .（a）泡沫隔熱性能評(píng)估裝置設(shè)計(jì)。PU和FRPU的（b）TST-時(shí)間曲線和（c）硬泡樣品在80°C熱臺(tái)上放置30 min后側(cè)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(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)。（e）PU硬泡和涂層含有5 wt% HGM的FRPU-60/40硬泡的導(dǎo)熱系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)隨測(cè)試溫度變化規(guī)律。（f）含HGM的FRPU的導(dǎo)熱性示意圖。

【小結(jié)】

綜上，受蝸牛和樹(shù)蛙粘附機(jī)制的啟發(fā)，作者通過(guò)自由基共聚合成了具有相分離微/納米結(jié)構(gòu)的阻燃水性poly(VS-co-HEA)涂層。由于結(jié)合了界面氫鍵和機(jī)械互鎖作用，該涂層對(duì)聚氨酯泡沫塑料、木材、聚乳酸、環(huán)氧樹(shù)脂和鋼材等各種基材皆具有很強(qiáng)的界面附著力, 同時(shí)，表面處理后的PU硬泡表現(xiàn)出超疏水特性。除了高達(dá)35.5%的LOI值和UL-94 V-0阻燃級(jí)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(bào)道的阻燃PU泡沫。阻燃處理后的PU硬泡的熱導(dǎo)率不僅可以較好地保持，而且可以精確的預(yù)測(cè)。這項(xiàng)工作提供了一種制備高粘結(jié)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(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

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