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由贻贝启发、自愈合、高 效的全聚合物防火涂料
发布者:斯凯肯  发布时间:2024-09-09   浏览量:3757次

  马哲文,冯家兵,霍思琪,孙子琪,SergeBourbigot,王浩,高杰峰,唐龙成,宋正平安

  近日,同济大学郑威研究员与澳大利亚南昆士兰大学宋 平安教授合作,设计开发了一种新型的贻贝启发型全聚合物防火涂层。该涂层通过引入邻苯二酚(catechol)、磷酸(phosphonic)和羟乙基(hydroxyethyl)等多种功能基团的协同作用,成功实现了材料的自愈合特性、强粘附性以及高 效阻燃性能(图1)。

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  研究团队采用“基团协同”设计策略,开发出一种新型水性聚合物涂层(PVHDx),这种涂层可以通过一系列动态非共价相互作用,能够在常温下迅速自愈,并与各种极性或非极性基材(如钢材、木材、聚氨酯、棉布、聚苯乙烯泡沫和聚乙烯)形成强粘附性。另一方面,PVHDx表现出更弱的热释放行为,表明三种单体在防火性能方面具有协同效应。其在遇到火焰时可快速形成一个致密的、结构完整的碳层,极大地提高了材料的耐火性。实验结果表面,厚度仅为200μm的PVHDx涂层能在持续的丁烷火焰进攻下保持结构稳定并产生膨胀碳层(图1)。

  另一方面,自愈特性使表面涂层在损伤后能够自发地恢复其保护功能,并在易损伤的外部环境中发挥其功能。为模拟真实缺陷,研究团队通过刀片划伤或针刺穿破坏PVHD7涂层,通过湿润缺陷区域,使其在室温下成功自愈。并通过变温红外、动态流变测试解释了该行为:氢键和π-π堆积的动态可逆性质是水介导自愈的原因(图2)。

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  EPS广泛用于建筑隔热领域,但表现出极度易燃的缺点,在此我们选择其作为验证PVHDx防火能力的基体材料。基于已有的黏附理论,即高粘附强度归因于高内聚能密度(CED)和界面粘附能(IAE),通过分子动力学模拟计算解释了PVHDx具有比作为对照的二元共聚物更强的黏附力,这也与单塔接拉伸剪切实验结果相吻合。PVHDx对EPS的强附着力主要是由于其苯环与邻苯二酚基团之间的相互作用。因此,证明了PVHDx在EPS表面的适用性,且三种单体在提高PVHDx涂层的CED和粘接能力方面也具有协同作用(图3)。

  EPS泡沫、市售B 1级阻燃EPS泡沫和PVHD7涂敷的EPS泡沫的防火对比,将其分别固定在木屋模型外侧来模拟房屋保温外墙。在丁烷火焰进攻下EPS@PVHD7泡沫在整个点火过程中都不能被点燃,因此它后侧的木屋只在火焰附近出现了6℃的升温,不仅保持了其整体结构和尺寸,而且在火焰下产生了坚固的膨胀焦层,这种炭层使泡沫即使在猛烈的火焰(≈1100°C)下也能维持相对稳定的温度,从而为后方的木屋提供所需的防火保护。与之形成鲜明对比,EPS和EPS-B1泡沫保护的木屋皆在点火后发生剧烈燃烧直至木屋完全损毁(图4)。

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  PVHD7涂层的防火性能表现。经~200μm涂层处理的EPS泡沫表现出高达40.5 vol%的极限氧指数(LOI),达到了理想的UL-94V-0等级,并且**大热释放速率(PHRR)(降低87%),峰值烟释放(PSPR)(降低82%)和**大CO生成(PCOP)(降低59%)显著降低,引燃时间(TTI)显著延长(延长395s)。材料综合性能明显优于此前文献报道的各类阻燃EPS(图5)。这主要是由于三元共聚物涂层不仅可以稀释可燃气体(通过释放如水蒸气、CO2和N2等),还可以通过释放含磷自由基(如·PO3H2)猝灭气相中的活性自由基来抑制连锁反应。除此之外,得益于PVHD7在高热下形成完整炭层的能力(polyHEA的脱水环化、polyDAMA在酸促进下的氧化交联),防火涂层也在凝聚相中发挥作用。

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  PVHD7涂层对多种基材的防火保护。PVHD7处理后各类聚合物泡沫、木材和织物都更难被引燃,且表现出更低的热释放,更高的残炭率。此外,PVHD7同样适用于不可燃基体,涂层处理能够显著减缓钢材在持续灼烧过程中的升温速率(图6)。该阻燃涂层策略在不同基材上表现出很高的适用性,有望未来在建筑领域的广泛运用。

  以上研究成果近期以“Mussel-Inspired,Self-Healing,HighlyEffectiveFullyPolymericFire-RetardantCoatingsEnabledbyGroupSynergy”为题,发表在《AdvancedMaterials》上。同济大学材料科学与工程学院博士研究生马哲文为文章第 一作者,同济大学郑威研究员和澳大利亚南昆士兰大学宋 平安教授为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了项目得到了国家自然科学基金、上海市浦江人才计划、中央高校基本科研业务费专项和澳大利亚研究理事会的支持。

  原文链接:

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202410453