建筑能耗约占我国能源总消耗量的30%，使用保温材料可以实现建筑节能，对于解决我国的能源、资源紧缺问题显得尤为重要且必要。目前，建筑市场上采用的以聚氨酯泡沫板为代表的有机保温材料具有质轻、导热系数低、保温性能好等优点，作为节能建筑的隔热材料极具吸引力，但同时具有易燃、易老化、耐久性差的缺点，特别是其易燃性将会带来严重建筑火灾安全隐患。阻燃涂料的使用是解决这一问题的有效手段之一，然而大多数现有的阻燃涂料仍然存在使用过程中与聚合物泡沫的界面粘附性较差的缺点。
【成果简介】
最近，澳大利亚南昆士兰大学王浩教授团队宋平安副教授与中科大余彬研究员受自然界中蜗牛和树蛙粘附机制的启发，设计了一种具有高粘合性的水性阻燃纳米结构的聚合物涂层。相关论文以 ”Bioinspired, Highly Adhesive, Nanostructured Polymeric Coatings for Superhydrophobic Fire-Extinguishing Thermal Insulation Foam”为题，发表在《ACS NANO》上。浙江农林大学硕士研究生马哲文和徐潇东为论文的共同第一作者。7月23日，该论文以 “Polymeric fire-extinguishing coatings” 为题被国际著名学术期刊《Science》的编辑 Lavine博士选为最新一期的Editors' Choice（https://science.sciencemag.org/content/373/6553/twil）。
【本文亮点】
（1）以丙烯酸羟乙酯（HEA）和乙烯基磺酸钠（VS）为原料，通过自由基共聚反应合成了一种水性poly（VS-co-HEA）共聚物。共聚物中丰富的羟基通过界面氢键使其具有很强的界面附着力。同时，VS中的磺酸钠基团提供了阻燃性，并且还诱导产生了能与聚氨酯（PU）表面产生机械互锁的相分离的微/纳米结构。（2）通过进一步对涂层的疏水处理以降低其对水分的敏感性，从而表现出超疏水特征（水接触角超过151°）。此外，除了高剪切粘结强度（＞2.2 MPa）外，经poly(VS-co-HEA)处理的硬质聚氨酯泡沫塑料还表现出了高达35.5%的极限氧指数（LOI），达到了理想的UL-94 V-0等级，并且最大热释放速率（PHRR）（降低87%）和总烟雾释放量（TSR）（降低71%）显著降低，优于以往的阻燃PU泡沫塑料。
【图文解析】
首先，对阻燃涂料进行了仿生设计。为了模拟蜗牛粘液的黏附性，选择含羟基的HEA作为单体，通过氢键相互作用使共聚物涂层对PU泡沫基板产生较强的界面附着力。同时，筛选出了含磺酸钠的VS作为共聚单体，使涂料具备所需的防火性能。此外，由于VS与HEA有很强的极性差异，最终共聚物中的VS离子片段诱导产生了能与聚氨酯（PU）表面产生机械互锁的相分离的微/纳米结构。如图1所示。
图1.（a）仿生阻燃涂料poly（VS-co-HEA）的合成和（b）poly（VS50-co-HEA50）典型的相分离微/纳米结构。（c）阻燃PU硬泡（FRPU）的制备过程示意图。（d）PU硬泡的拉伸剪切粘结强度测试示意图。（e）poly（VS-co-HEA）涂料粘合PU硬泡在剪切测试后的数码照片，在测试期间，PU硬泡自身率先发生破裂。（f）与过去的以及一些商用胶粘剂相比，poly（VS-co-HEA）涂层对不同基材的剪切粘结强度。（g）PU硬泡易燃性检测装置示意图。样品在酒精灯上方引燃15分钟后，由IR摄像机记录（h）未处理的PU和（i）FRPU-60/40-6000μm的上表面温度（TST）。样品厚度约3.0 cm（j）PU和FRPU的TST随燃烧时间变化曲线。
锥形量热法是评估材料在真实火灾场景下燃烧行为的有力工具，通过该测试了解FRPU的阻燃性能，记录了其HRR、THR、TSR和质量损失率(MLR)随时间变化规律。如图2所示.
图2.热辐射功率为35 kW/m2时的（a）热释放速率、（b）总烟释放和（c）质量损失曲线。（d）PU和FRPU 的火灾性能指数（FPI）。（e）PU 和 FRPU 的 LOI 和UL-94等级。样品表面涂层厚度皆为600 μm。（f）设计的FRPU与先前报道的阻燃PU泡沫材料的性能对比图（PHRR reduction-LOI）。
为了进一步阐明poly(VS-co-HEA)在凝聚相中发挥的作用方式，研究了PU和FRPU-60/40-600μm的残炭结构和形态，如图3所示。
图3.锥形量热测试后（a）PU和（b）FRPU-60/40残炭的SEM图像以及元素组成。残炭的（c）IR光谱和（d）XRD 图谱。（e）PU 和（f）FRPU 的燃烧过程随燃烧时间变化示意图。
保温性能是硬质聚氨酯泡沫在建筑中实际应用的另一个重要指标。为了直观地评估FRPU硬泡的隔热性能，我们特意设计了一个装置来检测样品在80℃热台上的TST，如图4所示。
图4 .（a）泡沫隔热性能评估装置设计。PU和FRPU的（b）TST-时间曲线和（c）硬泡样品在80°C热台上放置30 min后侧面温度的红外热象图。（d）PU硬泡、poly(VS60-co-HEA40)涂层以及不同厚度涂层的FRPU-60/40硬泡在20℃时的导热系数。（e）PU硬泡和涂层含有5 wt% HGM的FRPU-60/40硬泡的导热系数以及导热系数随测试温度变化规律。（f）含HGM的FRPU的导热性示意图。
【小结】
综上，受蜗牛和树蛙粘附机制的启发，作者通过自由基共聚合成了具有相分离微/纳米结构的阻燃水性poly(VS-co-HEA)涂层。由于结合了界面氢键和机械互锁作用，该涂层对聚氨酯泡沫塑料、木材、聚乳酸、环氧树脂和钢材等各种基材皆具有很强的界面附着力, 同时，表面处理后的PU硬泡表现出超疏水特性。除了高达35.5%的LOI值和UL-94 V-0阻燃级别，阻燃泡沫具有自熄灭的能力，其综合阻燃性能优于之前报道的阻燃PU泡沫。阻燃处理后的PU硬泡的热导率不仅可以较好地保持，而且可以精确的预测。这项工作提供了一种制备高粘结力的阻燃聚合物涂层的仿生思路，可用于诸多易燃基材，在建筑、电气、海洋和交通等领域具有潜在的应用前景。