英文原题：In Situ Assembly of Nanostructured Polyelectrolyte Coatings by Aqueous Phase Separation towards Outstanding Thermal Insulation and Fire Resistance
通讯作者：Ting Wang（汪婷，西华大学），Ming-Jun Chen （陈明军，西华大学）；Hai-Bo Zhao （赵海波，四川大学）
作者：Wei Luo (罗伟), Xue Gou (勾雪), Jie Luo (罗洁), Wenli An (安文丽), Zhi-Cheng Fu (符志成), Jinni Deng (邓瑾妮)
背景介绍
现代化城市建设导致能源消耗不断增加，使用高隔热性能的聚合物泡沫是建造节能建筑的有效方法，但高易燃性的聚合物泡沫给人类生命财产安全造成了火灾威胁。阻燃表面处理可有效降低聚合物泡沫的火灾危险性，却存在恶化材料自身隔热性能的矛盾问题。在阻燃涂层中构建纳米结构有望增加热阻以平衡隔热性能的损失，遗憾的是，现有涂层纳米结构构筑方法仍未解决阻燃与保温的矛盾问题，且存在环境不友好（消耗有毒溶剂）和组装条件严苛的制备难题。因此，开发环保高效的纳米结构组装技术，以解决聚合物泡沫阻燃性能与隔热性能同时提升的科学挑战，是阻燃材料领域当前面临的技术难题。
文章亮点
近日，西华大学功能高分子材料绿色制备与循环利用研究团队的汪婷副教授和陈明军教授与四川大学赵海波教授合作，提出了一种Cu2+诱导水相分离策略，实现了纳米片结构聚电解质（PEC）涂层的原位组装。如图1所示，以羧甲基壳聚糖（CMCS）和聚磷酸铵（APP）为原料，结合Cu2+的静电作用和配位作用多重交联，成功构建了具有独特纳米片结构（约200 nm）有序堆叠的阻燃涂层，并将这种新型涂层成功应用于建筑外墙保温材料硬质聚氨酯泡沫（RPUF）上。该纳米结构有效增加了涂层的界面热阻和声子散射能力，使RPUF的导热系数降低，从30.0 mW/m·K降低到28.1 mW/m·K，显著提升了材料的隔热性能。此外，涂层后RPUF的极限氧指数（LOI）显著提升至36%，最大热释放和烟释放大幅降低60%以上。以上结果表明，该方法不仅赋予了泡沫材料优异的阻燃性能，还同时提升其隔热性能。
图1. Cu1.0%-PEC涂层的制备过程及结构表征
为进一步研究水相分离过程和纳米结构的原位组装机制，作者研究了不同浓度的H+和Cu2+诱导的水相分离过程和获得的涂层纳米结构。其中，H+在组装过程中诱导MCS和APP形成强离子相互作用，从而诱导相分离过程。如图2所示，随着H+浓度的增加，CMCS和APP快速絮凝可诱导水相分离，形成丰富的纳米孔结构。而在Cu2+的驱动下，其与CMCS、APP可形成氢键、配位键和离子键的多重相互作用，有效驱动原位组装纳米片结构。其中，浓度为1.0 wt%的Cu2+，可成功诱导CMCS和APP的水相分离，并原位组装形成有序的纳米片结构，纳米片宽度约200 nm，纳米片间的间隙约150nm。
图2. 水相分离（APS）过程和纳米结构形成机制
机械性能和隔热性能是建筑节能材料在实际应用中的关键性能。如图3所示，Cu1.0%-PEC可显著提升RPUF的压缩强度，RPUF/Cu1.0%-PEC相比于纯RPUF的压缩强度提升了117%。由于纳米片堆叠的独特微观结构可有效增强声子散射和界面热阻，30 µm厚的Cu1.0%-PEC涂层可显著降低RPUF的导热系数到28.1 mW/m·K（纯样导热系数为30.0 mW/m·K）。
图3. Pure RPUF和涂层RPUF的力学和隔热性能
PEC涂层的引入，不仅可以有效提升RPUF的力学强度和隔热性能，还赋予了RPUF出色的阻燃性能。这是因为Cu1.0%-PEC涂层在燃烧时有效形成了铜离子交联的高热稳定性残炭，有效增强了凝聚相阻燃效果。仅10 wt%（厚度为30µm）的Cu1.0%-PEC涂层就可使得RPUF达到难燃等级（LOI≥30%、UL-94 V-0级），且热释放和烟释放降低60%以上。此外，铜离子交联的高热稳定性残炭还具有高温隔热性能。RPUF/Cu1.0%-PEC在1300℃高温的丁烷火炬持续喷烧35min下，其背面温度在测试过程中均低于300℃。以上的测试结果表明，当火灾发生时，RPUF/Cu1.0%-PEC的应用可显著延长消防救援时间。与同领域的工作相比，该工作的火安全性能、力学性能和隔热性能均具有突出优势。该工作为解决有机保温材料阻燃性能提升但保温性能恶化的难题提供了简单且绿色的解决方法。
图4. 材料的火安全性和综合性能对比
总结/展望
在这项研究中，提供了一种简单环保的水相组装策略，用于制备具有优异综合性能的阻燃纳米涂层。与传统方法相比，该技术不依赖于有毒溶剂且实验条件简单，对发展绿色环保的火安全保温材料奠定了科学基础。
相关论文发表在期刊ACS Materials Letters上，西华大学硕士研究生罗伟为文章第一作者，西华大学汪婷副教授、陈明军教授和四川大学赵海波教授为共同通讯作者。
通讯作者简介：
汪婷 副教授（博士）
主要从事高性能难燃气凝胶的设计研究、泡沫材料的阻燃研究、功能性涂层等。主持国家自然科学基金青年项目，参与国家自然科学基金联合基金（重点项目）1项；以第一或通讯作者在National Science Review、ACS Materials Letters、Journal of Materials Chemistry A、Chemistry of Materials等期刊发表论文十余篇，其中封面亮点论文、ESI热点和高被引论文5篇；授权发明专利6项。
陈明军 教授
研究方向为阻燃高性能高分子材料的研究与应用。现为西华大学教务处副处长兼创新创业学院院长，四川省杰出青年基金获得者，四川省创新创业教育指导委员会委员，中国消防协会防火阻燃材料专委会委员，四川省建筑防火科技研究会防火阻燃材料专委会秘书长。主持国家自然科学基金联合基金重点项目子项目、面上项目（2项）和青年基金，四川省杰出青年基金等研究课题10余项；以第一或通讯作者身份在Nature Communications、ACS Materials Letters、Materials Horizons等期刊上发表SCI论文30余篇，其中封面亮点论文、ESI热点和高被引论文6篇；受邀在国际国内学术研讨会主持和做学术报告20余次；授权发明专利10项，其中1项成功实施转让和放大生产。主讲《高分子化学》和《基础化学实验》课程，主编和参编教材3部，主持省部级教育教学改革研究项目4项，指导学生在中国国际大学生创新大赛等科创竞赛中获省级及以上奖项10余项。
赵海波 教授
研究方向为阻燃高性能高分子材料。现为四川大学环保型高分子材料国家地方联合工程实验室副主任，国家自然科学基金优青项目获得者，四川省学术与技术带头人主持国家自然科学基金区域联合基金重点项目、国家重点研发计划项目课题等；兼任中国消防协会防火材料分会副主任委员、四川省建筑防火科技研究会防火阻燃材料专委会主任委员等；获四川省杰出青年科学技术创新奖、国家自然科学二等奖（排名第二）、中国化学会青年化学奖、中国材料学会高分子材料与工程青年科技奖等奖励；担任中国塑料、Int J Mol Sci等多个国内外期刊编委。
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ACS Materials Lett. 2024, 6, 5418−5428
Publication Date: November 15, 2024
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c02041
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Sara E. Skrabalak
Indiana University Bloomington
Deputy Editor
Bin Liu
National University of Singapore
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