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出獨特優勢。然而，大多數現有的阻燃涂料仍存在阻燃效率低或生產成本高的缺點，嚴重限制了其實際工業應用。自然界中，火山噴發所產生的熔巖不燃、高溫可流動，但其熔融過程中持續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（λ＜1.29 W/m·K）。該特征為創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）作為陶瓷前驅體和氮化硼（BN）為協效劑，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。相關論文以“A lava-inspired micro/nano-structured ceramifiable organic-inorganic hybrid fire-extinguishing coating”為題，發表在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部氣孔的形成，其多孔結構與天然熔巖非常相似，這種結構賦予炭層極低的熱導率（λ700℃=0.0897 W/m·K）（圖2）。

圖2：PVH/BN/GP涂層高溫下呈現出類火山巖的微觀結構演化。

PVH@PVH/BN/GP涂層的防火性能表現。經~200μm涂層處理的硬質聚氨酯泡沫表現出高達35.8 vol%的極限氧指數（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于此前文獻報道的聚氨酯泡沫（圖3，圖4）。

圖3：經過200 微米厚的PVH@PVH/BN/GP雜化涂層處理后，聚氨酯硬泡表現出快速自熄的能力。

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出更低的熱釋放，更高的殘炭率。此外，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出很高的適用性，有望未來在建筑、運輸、管道和電氣等領域廣泛運用。

圖5：雜化涂層對木材、鋼材的防火保護。

相關論文信息：

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

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