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)。

　　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)。

　　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)。

　　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。

　　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