中科大余斌《ACS nano》:受蜗牛和树蛙粘附机制的启发,设计具有高粘性的阻燃纳米结构聚合物涂层
作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)
建筑能耗约占我国能源总消耗量的30%,使用保温材料可以实现建筑节能,对能源、资源紧缺的我国尤为重要和必要。目前,建筑市场上以聚氨酯泡沫板为代表的有机保温材料具有质轻、导热系数低、保温性能好的优点,作为节能建筑的隔热材料极具吸引力,但易燃、易老化、耐久性差是其明显缺点。特别是易燃性是建筑安全的一大隐患。尽管使用阻燃涂料可以作为解决这一问题的有效手段,然而大多数现有的阻燃涂料在使用过程中对聚合物泡沫的界面粘附性较差。
【成果简介】
最近,中科大余斌研究员与澳大利亚南昆士兰大学宋平安副教授受自然界中蜗牛和树蛙粘附机制的启发,设计了一种具有高粘合性和阻燃性的先进水性聚合物涂层。相关论文以” Bioinspired, Highly Adhesive, Nanostructured Polymeric Coatings for Superhydrophobic Fire-Extinguishing Thermal Insulation Foam”为题,发表在《ACS NANO》上。
【本文亮点】
(1)以丙烯酸羟乙酯(HEA)和乙烯基磺酸钠(VS)为原料,通过自由基共聚反应合成了一种水性聚(VS-co-HEA)共聚物。共聚物中丰富的羟基通过界面氢键使其具有很强的界面附着力。同时,钒土中的磺酸钠基团提供了阻燃性,并且还诱导了与聚氨酯(PU)表面产生机械互锁的相分离的微/纳米结构。
(2)涂层通过进一步疏水处理以降低其对水分的敏感性,从而表现出超疏水特征(水接触角超过151°)。此外,经聚(VS-co-HEA)处理的硬质聚氨酯泡沫塑料除了具有超过2.2 MPa的高剪切强度外,还表现出了高达35.5%的极限氧指数(LOI),达到了理想的UL-94 V-0等级,并显著降低了最大放热率(PHRR)(降低87%)和总烟雾释放量(TSR)(降低71%),优于以往的阻燃PU泡沫塑料。
【图文解析】
首先,对阻燃涂料进行了仿生设计。为了模拟蜗牛粘液的黏附性,首先选择含羟基的HEA作为单体,通过氢键相互作用使共聚物涂层与PU泡沫基板具有较强的界面附着力。同时,筛选出了含磺酸钠的VS作为共聚单体,使涂料具有所需的防火性能。此外,由于与HEA有很强的极性差异,最终共聚物中的离子VS段诱导诱导了与聚氨酯(PU)表面产生机械互锁的相分离的微/纳米结构。如图1所示。
图1.(a)生物灵感阻燃剂聚(VS-co-HEA)涂层的合成和(b)聚(VS)典型相分离的微/纳米结构50-共同希亚50)。(c)阻燃刚性 PU 泡沫 (FRPU) 制备过程的示意图图。(d)图中显示 PU 泡沫的粘附或剪切强度测试。(e)切变测试后,聚(VS-co-HEA)涂层对PU泡沫的数字图像,在此期间,散装PU泡沫在接口前破裂。(f)与一些以前的和商业胶粘剂相比,多(VS-co-HEA)涂层对不同基材的剪切强度。(38−45)(g)用于确定 PU 泡沫易燃性的自制设置。在酒精灯上方点燃15分钟后,由 IR 摄像机为(h) 未经处理的 PU 和(i)FRPU-60/40-6000μm 确定的顶表面温度(TST)。样品厚度为∼3.0厘米(j)PU和FRPU的TST作为燃烧时间的函数。
其次,对FRPU的阻燃性通过锥形量热法进行了评估,因为它是评估材料在强制火灾场景下真实燃烧行为的有力工具,并记录了HRR、THR、TSR和质量损失率(MLR)与时间的关系。如图2所示.
图2.(a) 热释放率、(b)总烟雾释放率和(c)质量损失曲线。(d)PU 和 FRPU 的火灾性能指数 (FPI), 热通量为 35 kW/m2.(e)PU 和 FRPU 的 LOI 值和 UL-94 评级。所有用于火灾测试的样品的涂层厚度为 600 μm。(f)按设计FRPU的阻燃性比较(PHRR减少和LOI值)与先前报告的阻燃性PU泡沫。
为了进一步阐明聚(VS-co-HEA)在缩合相中的作用方式,研究了控制PU和FRPU-60/40- 600μm炭渣的结构和形态,如图3所示。
图3. SEM 图像以及来自(a) PU 和(b) FRPU-60/40 的字符残留物的元素组成映射。(c)锥体测试后收集的焦炭残留物的 IR 光谱和(d)XRD 配置文件。拟议燃烧过程的示意图插图,作为(e)PU 和(f)FRPU 的燃烧时间函数。
保温性能是硬质聚氨酯泡沫在建筑中实际应用的另一个重要指标。为了直观地评估FRPU泡沫的隔热性能,我们特意设计了一个装置来检测80℃高温阶段泡沫的TST,如图4所示。
图4 .(a) 评估泡沫隔热性能的设置。(b)TST–时间和(c)在80°C的热舞台上对PU和FRPU泡沫的侧面温度进行红新月成像,并在30分钟后拍摄图像。(d)PU 泡沫的导热性,聚(VS)60-共同希亚40)涂层和FRPU-60/40系统不同的涂层厚度在20°C,和(e)PU泡沫和FRPU-60/40-600μm有和没有5瓦特%高温作为温度函数。(f)含有高频的FRPU导热率的示意图表示。
【小结】
综上,受蜗牛和树蛙粘附机制的启发,作者通过自由基共聚合成了具有相分离微/纳米结构的阻燃水性聚(VS-co-HEA)涂层。由于界面氢键和机械联锁的结合,该涂料对聚氨酯泡沫塑料、木材、聚乳酸、环氧树脂和钢材等各种基材具有很强的界面附着力。通过聚(VS-co-HEA) 表面处理的PU泡沫具有超疏水特性。除在UL-94测试中达到高达35.5%的LOI和所需的V-0等级外,所制处理后的泡沫自我熄灭,并显示出30.9 kW/m2的超低PHRR值(减少87%)和TSR比对照PU泡沫减少71%。优异的防火性能组合优于之前报道的阻燃PU泡沫。超高的半焦产率80.3 wt %,以及完整和紧凑的半焦层,解释了这种特殊的阻燃性。通过在涂层中引入HGM,涂层处理后的PU泡沫可以保持较低的导热率。此外,除了含HGM涂层外,理论计算可以精确地预测涂层PU泡沫的实验导热系数。这项工作提供了一种简单的仿生策略, 可以为许多易燃基材创造先进的粘附式防火聚合物涂料,有望在建筑、电气、海洋和交通等领域展示许多潜在的应用。
原文链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c02254
编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science),作者:高分子科学前沿
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