不管火不火，防火我們是認真的！

火災造成的損失和傷害每年在全世界造成巨大的生命和財產損失。開發安全有效的阻燃劑一直是科學家和工程師的目標。阻燃劑減輕了由維持高生活水平的固有易燃材料引起的火災威脅。雖然多年來大量阻燃劑已被證明是有效的，但現在人們越來越感興趣的是使用表面處理來在材料的外部進行阻燃化學的定位，當發生燃燒時，應努力保持理想的本體性能并盡量減少所需的添加劑。

開發阻燃表面處理技術可以保持材料的體積特性，并在燃燒發生的地方將添加劑添加到材料表面。緩解了阻燃劑導致機械性能的退化，以及聚合物難以回收利用的缺點。表面處理在傳遞阻燃性方面有很大的潛力。這種有前途的表面處理，在未來開發更有效和非侵入性阻燃劑鋪平道路。本文來看一些研究進展，這些改進現有阻燃表面處理的挑戰，為可擴展性、耐久性和在不造成環境問題的情況下處理原有材料的成功提供所需功能的能力。

燃燒和阻燃作用模式

1?ACS Appl. Mater. Interfaces：一種用于棉織物的水基阻燃噴涂涂料

新加坡南洋理工大學的Aravind Dasari教授等人報道了棉織物磷氮復合水基阻燃涂料的研究進展。采用一步噴涂工藝對織物進行噴涂，利用對苯二胺(PDA)與四(羥甲基)氯化磷(THPC)的自發反應，在織物表面瞬間沉淀聚[1,4-二氨基苯二胺-三(二甲基羥甲基)膦](PApP)。根據ASTM D6413和BS EN ISO 15025燃燒性能測試，評估了PApP在改善阻燃性能如耐燃性和橫向火焰蔓延方面的有效性。雖然涂層織物在氧化和熱解條件下存在早期(熱)分解，值得注意的是，自熄行為(< 3s)沒有任何橫向火焰蔓延被觀察到。通過熱解燃燒量熱法和垂直火焰測試分析表明，洗滌前后阻燃效率確實有所下降，但整體性能仍有希望。相關研究以“Development and evaluation of a water-based flame retardant spray coating for cotton?fabrics”為題目，發表在ACS Appl. Mater. Interfaces?上。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/acsami.7b09863

圖1?ASTM D6413和BS EN ISO 15025燃燒性能測試

2 Adv. Funct. Mater.：聚多巴胺-氧化石墨烯阻燃納米涂層

美國明尼蘇達大學的Christopher J. Ellison教授團隊通過在水性液晶氧化石墨烯(GO)支架涂層內對多巴胺單體進行氧化聚合，制備了高效阻燃(FR)納米涂層。由于其高含水量，LC支架涂層方法促進了多巴胺前體在水膨脹的層間通道內快速運輸和聚合，均勻且周期性堆積的PDA/GO納米涂層可以普遍應用于不同的表面，包括大孔柔性聚氨酯(PU)泡沫和硅晶圓等平面基板。值得注意的是，在80nm厚的涂層中，在5%重量的PDA/GO載荷下，峰值熱釋放率降低了65%，這反映了PDA/GO涂層的高效阻燃性能。雖然許多物理混合阻燃劑通常對泡沫的力學性能有害，但PDA/GO涂層對力學性能沒有實質性的影響。另外，由于PDA的固有附著力和氧化石墨烯向更疏水性的還原氧化石墨烯形態的轉變，使得PDA/GO涂層在水中保持穩定。相關研究以“Polydopamine-graphene oxide flame retardant nanocoatings applied via an aqueous liquid crystalline scaffold”為題目，發表在?Adv. Funct. Mater. 上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adfm.201803172

圖2?純PU泡沫和 PDA/GO涂層PU泡沫的著火行為

3?ACS Appl. Mater. Interfaces：PECVD法常壓合成高效阻燃薄膜

盧森堡科學技術研究所的Patrick Choquet教授等人報道了一種在常壓下制備高性能無鹵阻燃薄膜的新方法。利用大氣壓力介質阻擋放電(AP-DBD)這一簡單的方法，研制出了嵌入聚磷酸鹽的PDMS基涂層。研究了磷硅阻燃劑的形態、化學組成和結構，結果表明，磷硅阻燃劑的協同作用提高了涂料的性能。這種方法可以在不同的聚合物基材上沉積阻燃涂料，為不同性質的聚合物基材提供了一種通用的防火解決方案。在表面存在一個擴展的燒焦層作為一個保護屏障，限制熱量和質量的轉移。后者保留并消耗部分PC或PA-6降解副產品，然后將釋放的可燃氣體降至最低。它還可以使基板與火焰絕緣，限制剩余揮發性氣體的質量傳遞。相關研究以“Efficient flame retardant thin films?synthesized by atmospheric pressure PECVD through?the high co-deposition rate of hexamethyldisiloxane?and triethylphosphate on polycarbonate and?polyamide-6 substrates”為題目，發表在ACS Appl. Mater. Interfaces?上。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/acsami.6b01819

圖3?HMDSO:TEP不同表面形貌的SEM圖片

4 Cellulose：利用化學改性技術制備具有疏水性的環保型阻燃棉織物

安徽理工大學的聶士斌教授等人以植酸和正十二烷基三甲氧基硅烷為阻燃劑，先后制備了具有疏水性的環保型阻燃棉織物，并對棉織物的形態結構、燃燒行為、熱穩定性和疏水性進行了研究。結果表明，所制備的棉織物在燃燒過程中表現出良好的阻燃性能，消除火源后可立即熄滅。可達到27.4%的極限氧指數，比未爆氧指數提高47.3%。此外，棉織物改善了變色問題。棉織物的接觸角明顯增大，達到144.41^o，對水、茶、牛奶、果汁、咖啡和可樂有極好的疏水性。本研究提供了一種制備環保型棉織物的簡便方法，可顯著提高織物的阻燃性和對各種液體的自潔性。相關研究以“Fabrication?of environmentally-benign flame retardant cotton?fabrics with hydrophobicity by a facile chemical?modification”為題目，發表在Cellulose上。

文獻鏈接：DOI:?10.1007/s10570-019-02431-y

圖4?棉織物阻燃性及疏水性熱性能

5 Appl. Surf. Sci.：新型含磷硅氧烷棉織物的阻燃性能和熱性能研究

青島大學的朱平教授、蔣之銘教授合成了一種新型的含磷硅氧烷化合物2,2-二甲基-1,3-丙二醇-(3' -三乙氧基硅丙基)磷酸酯(DPTP)，并用溶膠-凝膠法制備了阻燃棉織物。通過紅外光譜、核磁共振氫譜和核磁共振氫譜對其結構進行了表征。涂覆DPTP后，棉織物的極限氧指數提高到30.1%。通過熱重法和錐形量熱法測定，總放熱量減少，成炭能力明顯提高。在垂直可燃性測試中，DPTP涂層的棉織物在焦距小于15cm的情況下沒有余火和余輝。用熱重-紅外(TG-IR)法測定了揮發性熱解產物，結果表明DPTP涂層棉織物既具有冷凝阻燃機理，又具有氣相阻燃機理。相關研究以“Flame retardancy and thermal behavior of cotton fabrics based on a novel phosphorus- containing siloxane”為題目，發表在Appl. Surf. Sci. 上。

文獻鏈接：DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.02.159?

圖5?對照棉、DPTP包覆棉織物、DPTP包覆棉織物燃燒后的SEM、EDX

6?J. Mater. Chem. A：一種納米裝甲通過靜電沉積的雙分子層為聚氨酯提供大量的熱/防火保護

為了使環保型聚氨酯泡沫材料具有良好的防火性能，德克薩斯A&M大學Jaime C. Grunlan教授等人采用逐層組裝的方法制備了支化聚乙烯亞胺(PEI)，殼聚糖(CH)和鈉蒙脫石(MMT)等納米磚墻薄膜。使用特殊配方，大寬比VMT板，單一聚合物/粘土雙分子層沉積在聚氨酯泡沫上(3.2 wt%的添加量)，能夠將峰值放熱率降低一半，減少排煙，并消除熔滴。匹配的聚合物/MMT雙分子層增加了阻燃性能和重量，這表明納米板長寬比顯著提高了納米涂層的傳熱能力和防止質量損失的能力。本研究證明了一種簡單、商業上可行且有效的消防替代品。理想的聚氨酯泡沫防火性能不再以費力的、多步驟的涂覆程序為代價，也不再以選擇鹵化添加劑為代價。由于鹵化添加劑對人類健康有潛在的負面影響。相關研究以“Iron-containing, high aspect ratio clay as nanoarmor that imparts substantial thermal/flame protection to polyurethane with a single electrostatically-deposited bilayer”為題目，發表在J. Mater. Chem. A上。

文獻鏈接：DOI: 10.1039/c4ta03541k

圖6?涂層泡沫的示意圖

7?Adv. Funct. Mater.：環境友好型高嶺土納米管多層組裝顯著降低聚氨酯的可燃性

德克薩斯A&M大學Jaime C. Grunlan教授致力于開發一種更環保的聚氨酯泡沫(PUF)阻燃劑，研究了用支化聚乙烯亞胺(BPEI)或聚丙烯酸(PAA)穩定高嶺土碳納米管(HNT)的方法。PUF是一種易燃物，廣泛應用于世界各地的軟墊家具中。經BPEI-HNT/PAA-HNT雙分子層處理的泡沫，采用逐層組裝法沉積，在明火試驗中進行自熄。錐形量熱法表明，該涂層可使熱釋放峰值率(pkHRR)降低62%。由于HNT的管狀形態，燃燒過程中釋放出的少量揮發性氣體被截留，因此總排煙量(TSR)減少了60%。紅外光譜分析表明，這一多層結構在燃燒過程中幸存下來，形成了一個高含量HNT的屏障，阻止了在明火測試和量熱法中質量和能量的轉移。pkHRR和TSR的顯著降低，以及自熄行為，表明這些基于高嶺石的多層結構具有極大提高PUF 火安全性的潛力。相關研究以“Environmentally benign halloysite?nanotube multilayer assembly significantly reduces?polyurethane flammability”為題目，發表在?Adv. Funct. Mater. 上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adfm.201703289

圖7?

a) 5 層?BPEI/PAA, b) 3 層?HNT, c) 5 層?HNT涂層PUF暴露于丁烷噴燈10 s后的橫斷面圖像

8?Nanoscale：通過碳納米管與聚磷酸銨的逐層組裝制備阻燃納米涂層

浙江大學方征平教授等人將聚電解質氨基功能化多壁碳納米管(MWNT-NH₂)和聚磷酸銨(APP)交替吸附在柔軟多孔的苧麻織物上，制備了一種新型阻燃納米涂料。掃描電鏡結果表明，所吸附的碳納米管涂層具有隨機取向和重疊的網絡結構，具有良好的阻燃性能。紅外光譜和能量色散x射線分析證實，APP成功地按順序整合到多層結構中。對苧麻織物的熱性能和可燃性進行了測試，結果表明，隨著懸浮液濃度的增加和沉積周期的增加，苧麻織物的熱穩定性、阻燃性和殘炭含量均有所提高。這種增強主要歸因于由MWNT-NH₂和被吸收的APP組成的膨脹網絡結構的屏障效應。相關研究以“Construction of flame retardant nanocoating on ramie fabric via layer-by-layer assembly of carbon nanotube and ammonium polyphosphate”為題目，發表在Nanoscale上 。

文獻鏈接：DOI: 10.1039/c3nr34020a

圖8?垂直火焰測試圖像

a?d?g：苧麻織物、b?e h: 0.1 mg mL^-1/1.0 wt%、?c f i：0.5 mg mL^-1/1.0 wt%添加量

9?Chemistry of Materials：兒茶酚阻燃劑作為柔性聚氨酯泡沫的納米涂層

以聚多巴胺(PDA)為基礎，針對聚氨酯(PU)等發泡材料，德克薩斯大學奧斯汀分校的Christopher J. Ellison教授等人研制了一種高效、環保型、水基阻燃的表面納米涂料。在多巴胺水溶液中通過簡單的浸漬涂層，在所有泡沫表面形成致密、均勻和保形的層。微燃燒量熱法(MCC)和熱重分析(TGA)證實純PDA具有較強的易燃性，易于形成碳質、多孔的炭，這對阻燃非常有利。將PDA納米涂層沉積在柔性聚氨酯泡沫材料上，隨著涂層厚度的增加，聚氨酯泡沫材料的可燃性明顯降低。對于最厚的涂層(3天的PDA沉積)，在火炬燃燒試驗中暴露在火焰中后，泡沫迅速自滅，其原始形狀完全保留。除了PDA的碳形成能力，兒茶酚單元可能清除附近的自由基，當發生火災時，這些自由基通常會轉化出額外的燃料。這種多重阻燃作用的PDA(即炭形成+自由基清除)，使阻燃泡沫峰值熱釋放率(P-HRR)明顯降低(高達67%)。相關研究以“Bioinspired Catecholic Flame Retardant
Nanocoating for Flexible Polyurethane Foams”為題目，發表在Chemistry of Materials上。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b03013?

圖9?泡沫暴露在火焰后的圖像

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