隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，火災(zāi)安全已成為公共安全領(lǐng)域的重要議題。聚合物材料因其廣泛的應(yīng)用性在火災(zāi)安全中扮演著重要角色，但其易燃性和火災(zāi)中的煙霧釋放對人員疏散和救援構(gòu)成了巨大威脅。因此，開發(fā)具有高阻燃性和低煙霧釋放的聚合物復(fù)合材料具有重要意義。對此，南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院研究團隊和美國德州理工大學(xué)研究團隊合作通過對聚合物雙連續(xù)相表面與本體組分的調(diào)控，揭示了功能表面與體積氯含量的協(xié)同作用機制。
圖1 體積氯含量與功能表面作用對比。
聚合物材料因其質(zhì)輕、易加工和成本低廉等優(yōu)點，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，這些材料在火災(zāi)中易燃燒且煙霧釋放量大，嚴(yán)重限制了其在火災(zāi)安全要求高的場合的應(yīng)用。傳統(tǒng)的阻燃方法主要通過添加阻燃劑來實現(xiàn)，但高濃度的阻燃劑往往會導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降和回收困難。因此，探索新的阻燃策略，實現(xiàn)聚合物材料火災(zāi)安全性能與力學(xué)性能的平衡，成為當(dāng)前研究的熱點。
研究團隊以聚氯乙烯（PVC）、高密度聚乙烯(HDPE)和氯化聚乙烯(CPE)為主要組分，通過兩步熔融共混法制備了雙連續(xù)相聚合物復(fù)合材料。通過調(diào)控相容劑CPE的選擇性分布，實現(xiàn)了對復(fù)合材料表面與本體組成的調(diào)控。隨后，通過熱重分析（TGA）、極限氧指數(shù)（LOI）、煙密度和錐形量熱儀等表征方法，對復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性、阻燃性和煙霧釋放特性進行了系統(tǒng)評估。此外，還利用火災(zāi)動態(tài)模擬和人員疏散行為進行耦合分析，對復(fù)合材料在火災(zāi)場景下的安全性能進行了綜合評價。
表面與本體組成對火災(zāi)安全性能的影響：功能表面≠“萬能護盾”，本體氯含量才是決定因素
圖2 不同復(fù)合體系的（a）熱釋放速率，（b）總熱釋放，（c）產(chǎn)煙速率，（d）總煙產(chǎn)量。
研究結(jié)果表明，雙連續(xù)相聚合物復(fù)合材料的表面與本體組成對火災(zāi)安全性能具有顯著影響。表面膨脹石墨（EG）分布對實際燃燒過程中的阻燃效果影響有限，本體氯含量在決定燃燒行為和煙霧釋放方面起主導(dǎo)作用。隨著本體氯含量的增加，復(fù)合材料的LOI顯著提高，煙霧釋放量顯著減少，同時熱釋放量也呈現(xiàn)下降趨勢。這些發(fā)現(xiàn)揭示了本體組成在火災(zāi)安全性能中的決定性作用。
火災(zāi)動態(tài)模擬與人員疏散分析：煙霧＞熱量，材料發(fā)煙是火災(zāi)逃生的最大威脅
圖3 室內(nèi)FDS與人員疏散的耦合模擬：（a）P/H、（b）N-CPE、（c）H-CPE和（d）Cl CPE的模擬模型剖面圖、煙霧、溫度和煙塵可見度切片圖；（e-f）耦合模擬期間（e）P/H、（f）N-CPE、（g）H-CPE和（H）Cl-CPE模型中室內(nèi)人員數(shù)量變化。
火災(zāi)動態(tài)模擬（FDS）結(jié)果顯示，與PVC/HDPE聚合物基體相比，具有功能填料選擇性分布的雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)在火災(zāi)場景下表現(xiàn)出更低的熱釋放率和煙霧密度。進一步的人員疏散模擬分析表明，煙密度是影響人員疏散效率的關(guān)鍵因素。在相同熱釋放條件下，煙霧密度較低的復(fù)合材料能夠顯著縮短人員疏散時間，提高火災(zāi)場景下的安全性。
表面與本體協(xié)同作用的火災(zāi)安全策略：“體表兼顧”是材料阻燃抑煙結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵
圖4不同體系中表面EG含量、表面氯含量和體積氯含量對Td,5、模擬中TSP/SD/能見度、LOI、熱釋放和FDS耦合人員疏散的影響。
基于上述發(fā)現(xiàn)，提出了一種表面與本體協(xié)同作用的火災(zāi)安全策略。通過調(diào)控復(fù)合材料的表面與本體組成，可以在不犧牲材料力學(xué)性能的前提下，實現(xiàn)火災(zāi)安全性能的最大化。例如，在保持本體高氯含量的同時，通過優(yōu)化表面組成和相結(jié)構(gòu)，可以進一步提高復(fù)合材料的阻燃性和煙霧抑制性能。
本研究從結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能評估與安全模擬三位一體的方式系統(tǒng)解構(gòu)了聚合物復(fù)合材料中“功能表面”與“體相氯含量”在火災(zāi)安全中的真實作用，實現(xiàn)了聚合物材料火災(zāi)安全性能的顯著提升。研究結(jié)果表明，本體氯含量在決定燃燒行為和煙霧釋放方面起主導(dǎo)作用，而表面組成對火災(zāi)安全性能的影響相對有限；谶@些發(fā)現(xiàn)，提出了一種表面與本體協(xié)同作用的火災(zāi)安全策略，為開發(fā)新一代阻燃聚合物材料提供了有力支持。未來，研究團隊將繼續(xù)深化對該材料的研究，探索其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，推動火災(zāi)安全技術(shù)的發(fā)展和進步。
該成果發(fā)表于《Journal of Materials Chemistry A》,并入選2025年熱點文章。第一作者為南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院的博士生張晗，美國德州理工大學(xué)張振博士為共同通訊作者和南京工業(yè)大學(xué)陳婷婷博士為共同作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D5TA02009
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