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  北京時(shí)間2022年1月7日，澳大利亞南昆士蘭大學(xué)宋平安教授在Matter上發(fā)表了一篇題為“A lava-inspired micro/nano-structured ceramifiable organic-inorganic hybrid fire-extinguishing coating”的最新研究。

  研究團(tuán)隊(duì)受火山熔巖難燃、高溫可流動(dòng)以及低熱導(dǎo)率特性的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種可陶瓷化的多尺度阻燃涂層材料，其實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種建筑材料有效防火保護(hù)。

  國(guó)際著名期刊Science的新聞?dòng)浾逺obert Service對(duì)宋平安教授進(jìn)行了采訪，隨后在同日以News形式對(duì)該研究工作進(jìn)行了長(zhǎng)篇跟蹤報(bào)道。另外，該工作也得到了Case Western Reserve University大學(xué)的著名David Schiraldi教授的認(rèn)可和好評(píng)。

  論文通訊作者是南昆大宋平安；第一作者是浙江農(nóng)林大學(xué)碩士生馬哲文。

  阻燃涂層可對(duì)多種材料起到有效的防火保護(hù)，包括針對(duì)可燃的聚合物泡沫、木材以及不可燃的鋼材等。在諸多阻燃手段中，由于涂層法僅作用于材料外表面，因此不會(huì)影響基體的固有性能而表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的阻燃涂料仍存在阻燃效率低或生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了其實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。自然界中，火山噴發(fā)所產(chǎn)生的熔巖不燃、高溫可流動(dòng)，但其熔融過程中持續(xù)釋放的氣體使其冷卻后形成多孔的陶瓷化火山巖，具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)（λ＜1.29 W/m·K）。該特征為創(chuàng)制可陶瓷化的阻燃隔熱涂層材料提供了一個(gè)靈感。

  近日，澳大利亞南昆士蘭大學(xué)宋平安教授以水性共聚物聚(丙烯酸羥乙基酯-乙烯基磺酸鈉)（PVH）為涂層基體，通過引入低熔點(diǎn)玻璃粉（GP）作為陶瓷前驅(qū)體和氮化硼（BN）為協(xié)效劑，制備了一種多尺度有機(jī)/無機(jī)雜化PVH/BN/GP阻燃涂層材料。通過簡(jiǎn)單的棒涂法先后將PVH（~100μm）和PVH/BN/GP（~100μm）施加在基體表面（圖1）。該涂層自身表現(xiàn)出極高的難燃性，并可對(duì)多種基底材料提供理想的防火保護(hù)。

圖1：仿生熔巖多尺度陶瓷雜化防火涂料的設(shè)計(jì)、制備及其在聚氨酯硬泡（PU）上的應(yīng)用。

  雜化涂層高溫下表現(xiàn)出類火山熔巖的流動(dòng)、多孔特性。當(dāng)溫度高于350 ℃時(shí)，雜化涂層中的GP顆粒發(fā)生軟化，并最終在高溫下（＞650 ℃）完全熔化，形成一種流動(dòng)的熔體。GP熔體可充當(dāng)高溫膠粘劑填補(bǔ)有機(jī)炭層表面宏觀裂紋，并最終形成致密完整的陶瓷保護(hù)層。此外，有機(jī)PVH涂層基體的熱降解可以促進(jìn)炭層內(nèi)部氣孔的形成，其多孔結(jié)構(gòu)與天然熔巖非常相似，這種結(jié)構(gòu)賦予炭層極低的熱導(dǎo)率（λ_700℃=0.0897 W/m·K）（圖2）。

圖2：PVH/BN/GP涂層高溫下呈現(xiàn)出類火山巖的微觀結(jié)構(gòu)演化。

  PVH@PVH/BN/GP涂層的防火性能表現(xiàn)。經(jīng)~200μm涂層處理的硬質(zhì)聚氨酯泡沫表現(xiàn)出高達(dá)35.8 vol%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34%），總煙霧釋放量（TSR）（降低53%）和最大CO生成（PCOP）（降低66%）顯著降低，抗壓強(qiáng)度顯著提高（提高41%）。材料綜合性能明顯優(yōu)于此前文獻(xiàn)報(bào)道的聚氨酯泡沫（圖3，圖4）。

圖3：經(jīng)過200 微米厚的PVH@PVH/BN/GP雜化涂層處理后，聚氨酯硬泡表現(xiàn)出快速自熄的能力。

圖4：阻燃涂層處理可提高聚氨酯硬泡的阻燃性能和抗壓強(qiáng)度。

  PVH@PVH/BN/GP涂層對(duì)多種基材的防火保護(hù)。錐形量熱測(cè)試中，PVH@PVH/BN/GP處理后的木材更難被引燃，且其在不同熱輻射強(qiáng)度下皆表現(xiàn)出更低的熱釋放，更高的殘?zhí)柯�。此外，PVH@PVH/BN/GP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5）。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、運(yùn)輸、管道和電氣等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。

圖5：雜化涂層對(duì)木材、鋼材的防火保護(hù)。

  相關(guān)論文信息：

  https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.12.009

  https://doi.org/10.1126/science.acz9958