近年來，全球火災(zāi)事故頻發(fā)，造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失。這主要歸因于日常生活中廣泛使用的易燃材料，如聚合物、木材、紡織品和紙張等。表面阻燃技術(shù)為易燃基材及不可燃但易高溫融化鋼材等各種材質(zhì)提供有效的隔熱防火解決方案。膨脹型阻燃涂層（IFRC）以其低煙霧和低毒性著稱，通過化學(xué)發(fā)泡形成膨脹炭層，提供卓越的阻燃隔熱保護。然而，由于燃燒過程復(fù)雜且化學(xué)發(fā)泡難以調(diào)控，膨脹型涂層的性能在很大程度上僅依賴于配方。此外，膨脹炭層在持續(xù)受熱時容易分解，導(dǎo)致其熱保護時效性不佳，大多僅是“曇花一膨”。為了增強炭層強度，通常會添加協(xié)效劑催化成炭，但添加協(xié)效劑往往會導(dǎo)致熔體強度過高，從而抑制發(fā)泡過程，造成膨脹倍率降低和隔熱性能下降。因此，如何制備一種化學(xué)發(fā)泡性能好、耐熱性持久的膨脹型涂層是一項艱巨的挑戰(zhàn)。
鑒于此，浙江大學(xué)曹堃教授團隊與大連理工王東琪教授團隊合作研發(fā)了一種新型的膨脹型涂層，利用“界面自催化”設(shè)計雙層透明環(huán)氧涂層，在燃燒過程中原位生成磷酸硼晶體（BPO4）催化劑，催化炭層的形成。這種方法不僅解決了傳統(tǒng)膨脹型涂層的局限性，還顯著提升了涂層的防火性能，延長了點火時間（TTI），并減少了火勢增長速率（FIGRA）和總熱釋放量（THR）。
2025年2月10日，該論文以“Boron Phosphates In Situ Generated From Bilayer Coating Approach for Flame-Retardant Applications”發(fā)表在最新一期《Advanced Functional Materials》上，第一作者為浙江大學(xué)博士生艾遠芳，通訊作者為浙江大學(xué)曹堃教授、大連理工王東琪教授。
薄型膨脹型阻燃涂層由約100 μm厚含硼環(huán)氧樹脂與約300 μm厚含磷環(huán)氧樹脂組成，由于設(shè)計合成的磷酸酯與硼酸酯化合物能夠?qū)Νh(huán)氧基團進行開環(huán)交聯(lián)，因此涂層具有優(yōu)異的透明度、耐水性、粘附力和硬度以及涂層的自愈合能力。
圖1. 涂層的制備與性能
通過大板燃燒測試，雙層環(huán)氧樹脂涂層能夠為鋼板提供長達50 min的熱保護，背板溫度始終低于300 °C。其中性能最好的P-PDA相比單層的涂層PPC的TTI增加了271%，FIGRA降低了58%，TTR減少了33%。
圖2. 涂層的防火性能
針對涂層優(yōu)異的防火性能，作者對其熱裂解過程和殘?zhí)拷Y(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)探究。TG-IR結(jié)果表明，含硼的涂層在燃燒過程中形成的玻璃狀熔融物能夠有效的抑制有毒氣體和可燃性氣體的釋放，阻礙燃燒。SEM圖明顯觀察到原位生成的BPO4，由10-80 nm的納米顆粒堆疊形成微米級厚的致密陶瓷層，包裹下面厘米級厚的膨脹炭層，從而形成外層致密里層發(fā)泡的隔熱炭層。通過XPS測試可知，晶格排列越高的BPO4，其外層更為致密，僅5.5 μm即能夠更為有效地抑制熱釋放，而并非傳統(tǒng)中的越厚越好。
圖3. 涂層的熱裂解行為和殘?zhí)糠治?/span>
BPO4的形成依賴于雙層涂層在燃燒過程中不同的分解溫度。作者將燃燒過程分為四個步驟詳細闡述：首先，涂層受熱時，下層PPC開始熔融；其次，上層熔融且下層開始分解；第三步，上層分解并與下層反應(yīng)生成BPO4，催化炭層形成；最后，形成上下雙層的膨脹型炭層。通過密度泛函理論（DFT）模擬，研究了P-PDA和P-PPN兩種涂層中BPO4的催化活性，發(fā)現(xiàn)BO3催化位點的比例越高，催化活性越強，但陶瓷層的致密性降低。這表明涂層防火性能的關(guān)鍵在于致密炭層的形成，而非僅依賴于催化劑的活性。
圖4. 涂層的化學(xué)發(fā)泡機理
總的來說，該研究提出了一種創(chuàng)新的“界面自催化”策略，在燃燒過程中原位生成BPO4催化劑，協(xié)同催化成炭與發(fā)泡過程，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的雙層膨脹炭層，顯著提升了材料的防火性能。這種涂層不僅延長了點火延遲時間、降低了火焰增長速率和總熱量釋放，還具備優(yōu)異的透明度、耐水性、自修復(fù)能力和良好的機械強度。
該研究是曹堃教授團隊繼“可用于木材保護的透明防水無煙膨脹型阻燃涂料”（Materials Chemistry and Physics 2023）、“可用于森林防火和施肥多功能明膠基噴劑”（Communications Materials 2024）等工作之后的又一重要成果，得到國家自然基金的資助，并已申請多項發(fā)明專利。曹堃教授團隊聚焦木基材料的防火保護，正在與相關(guān)領(lǐng)域的龍頭企業(yè)共同規(guī)劃、設(shè)計、實施針對森林及其周邊尤其是木質(zhì)房屋預(yù)防野火的全方位生態(tài)保護措施，熱誠歡迎與五湖四海志同道合業(yè)內(nèi)同行們合作共贏，造福地球。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202424993
