阻燃涂層可對多種材料起到有效的防火保護，包括針對可燃的聚合物泡沫、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，因此不會影響基體的固有性能而表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。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，嚴重限制了其實際工業(yè)應用。自然界中，火山噴發(fā)所產(chǎn)生的熔巖不燃、高溫可流動，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靈感。

近日，澳大利亞南昆士蘭大學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/無機雜化PVH/BN/GP阻燃涂層材料。通過簡單的棒涂法先后將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，并可對多種基底材料提供理想的防火保護。相關(guān)論文以“A lava-inspired micro/nano-structured ceramifiable organic-inorganic hybrid fire-extinguishing coating”為題，發(fā)表在Matter上。論文通訊作者是南昆大宋平安；第一作者是浙江農(nóng)林大學碩士生馬哲文。

國際著名期刊Science的新聞記者Robert Service對宋平安教授進行了采訪，隨后在同日以News形式對該研究工作進行了長篇跟蹤報道。另外，該工作也得到了Case Western Reserve University大學的著名David Schiraldi教授的認可和好評。

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

雜化涂層高溫下表現(xiàn)出類火山熔巖的流動、多孔特性。當溫度高于350 ℃時，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，形成一種流動的熔體。GP熔體可充當高溫膠粘劑填補有機炭層表面宏觀裂紋，并最終形成致密完整的陶瓷保護層。此外，有機PVH涂層基體的熱降解可以促進炭層內(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率（λ700℃=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35.8 vol%的極限氧指數(shù)（LOI），達到了理想的UL-94 V-0等級，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，抗壓強度顯著提高（提高41%）。材料綜合性能明顯優(yōu)于此前文獻報道的聚氨酯泡沫（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度。

PVH@PVH/BN/GP涂層對多種基材的防火保護。錐形量熱測試中，PVH@PVH/BN/GP處理后的木材更難被引燃，且其在不同熱輻射強度下皆表現(xiàn)出更低的熱釋放，更高的殘?zhí)柯省４送?，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、運輸、管道和電氣等領(lǐng)域廣泛運用。

圖5：雜化涂層對木材、鋼材的防火保護。

相關(guān)論文信息：

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

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