作者:宋平安等 来源:《物质》 发布时间:2022/1/7 11:38:47
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科学家研制一种可陶瓷化的多尺度阻燃涂层材料

 

北京时间2022年1月7日0时,澳大利亚南昆士兰大学宋平安教授在Matter上发表了一篇题为“A lava-inspired micro/nano-structured ceramifiable organic-inorganic hybrid fire-extinguishing coating”的最新研究。

研究团队受火山熔岩难燃、高温可流动以及低热导率特性的启发,设计了一种可陶瓷化的多尺度阻燃涂层材料,其实现了对多种建筑材料有效防火保护。

国际著名期刊Science的新闻记者Robert Service对宋平安教授进行了采访,随后在同日以News形式对该研究工作进行了长篇跟踪报道。另外,该工作也得到了Case Western Reserve University大学的著名David Schiraldi教授的认可和好评。

论文通讯作者是南昆大宋平安;第一作者是浙江农林大学硕士生马哲文。

阻燃涂层可对多种材料起到有效的防火保护,包括针对可燃的聚合物泡沫、木材以及不可燃的钢材等。在诸多阻燃手段中,由于涂层法仅作用于材料外表面,因此不会影响基体的固有性能而表现出独特优势。然而,大多数现有的阻燃涂料仍存在阻燃效率低或生产成本高的缺点,严重限制了其实际工业应用。自然界中,火山喷发所产生的熔岩不燃、高温可流动,但其熔融过程中持续释放的气体使其冷却后形成多孔的陶瓷化火山岩,具有较低的导热系数(λ<1.29 W/m·K)。该特征为创制可陶瓷化的阻燃隔热涂层材料提供了一个灵感。

近日,澳大利亚南昆士兰大学宋平安教授以水性共聚物聚(丙烯酸羟乙基酯-乙烯基磺酸钠)(PVH)为涂层基体,通过引入低熔点玻璃粉(GP)作为陶瓷前驱体和氮化硼(BN)为协效剂,制备了一种多尺度有机/无机杂化PVH/BN/GP阻燃涂层材料。通过简单的棒涂法先后将PVH(~100μm)和PVH/BN/GP(~100μm)施加在基体表面(图1)。该涂层自身表现出极高的难燃性,并可对多种基底材料提供理想的防火保护。

图1:仿生熔岩多尺度陶瓷杂化防火涂料的设计、制备及其在聚氨酯硬泡(PU)上的应用。

杂化涂层高温下表现出类火山熔岩的流动、多孔特性。当温度高于350 ℃时,杂化涂层中的GP颗粒发生软化,并最终在高温下(>650 ℃)完全熔化,形成一种流动的熔体。GP熔体可充当高温胶粘剂填补有机炭层表面宏观裂纹,并最终形成致密完整的陶瓷保护层。此外,有机PVH涂层基体的热降解可以促进炭层内部气孔的形成,其多孔结构与天然熔岩非常相似,这种结构赋予炭层极低的热导率(λ700℃=0.0897 W/m·K)(图2)。

图2:PVH/BN/GP涂层高温下呈现出类火山岩的微观结构演化。

PVH@PVH/BN/GP涂层的防火性能表现。经~200μm涂层处理的硬质聚氨酯泡沫表现出高达35.8 vol%的极限氧指数(LOI),达到了理想的UL-94 V-0等级,并且最大热释放速率(PHRR)(降低34%),总烟雾释放量(TSR)(降低53%)和最大CO生成(PCOP)(降低66%)显著降低,抗压强度显著提高(提高41%)。材料综合性能明显优于此前文献报道的聚氨酯泡沫(图3,图4)。

图3:经过200 微米厚的PVH@PVH/BN/GP杂化涂层处理后,聚氨酯硬泡表现出快速自熄的能力。

图4:阻燃涂层处理可提高聚氨酯硬泡的阻燃性能和抗压强度。

PVH@PVH/BN/GP涂层对多种基材的防火保护。锥形量热测试中,PVH@PVH/BN/GP处理后的木材更难被引燃,且其在不同热辐射强度下皆表现出更低的热释放,更高的残炭率。此外,PVH@PVH/BN/GP同样适用于不可燃基体,涂层处理能够显著减缓钢材在持续灼烧过程中的升温速率(图5)。该阻燃涂层策略在不同基材上表现出很高的适用性,有望未来在建筑、运输、管道和电气等领域广泛运用。

图5:杂化涂层对木材、钢材的防火保护。

(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.12.009、               https://doi.org/10.1126/science.acz9958

 

 
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