MXene掺杂微胶囊相变材料增强硬质聚氨酯泡沫的阻燃与隔热性能研究

为解决硬质聚氨酯泡沫（RPUF）因相变材料（PCMs）添加导致的易燃性问题，研究人员通过界面工程策略合成MXene改性微胶囊PCM（MFPCM@MXene），并整合至RPUF基体。结果表明，RPUF-3%MFPCM@MXene复合材料实现三重功能提升：压缩强度提高28%（0.213 MPa），总热释放（THR）和烟雾释放（SPR）分别降低45.7%和43.6%，且具备快速热响应（3.2 °C/min）与长效保温（2.1 °C/min）特性。该研究为建筑领域开发兼具防火安全与动态热管理的智能材料提供了新范式。

　　

随着全球能源需求激增，开发高效节能材料成为迫切需求。相变材料（PCMs）因其高潜热储能能力在建筑保温领域备受关注，但传统有机PCMs存在易燃、泄漏和导热性差等缺陷。尤其当PCMs与硬质聚氨酯泡沫（RPUF）复合时，虽能提升隔热性能，却显著增加火灾风险。如何平衡RPUF的隔热与防火性能，成为制约其应用的关键瓶颈。

为解决这一难题，中国的研究团队创新性地将二维纳米材料MXene引入微胶囊相变材料（MFPCM）的壳层设计中，通过原位聚合与氢键组装相结合的界面工程策略，成功制备出MXene改性微胶囊PCM（MFPCM@MXene），并将其整合至RPUF基体。相关成果发表在《Polymer Degradation and Stability》上，为开发新一代智能建筑材料提供了重要参考。

研究团队主要采用三项关键技术：1）通过LiF-HCl蚀刻法从MAX相（Ti₃AlC₂）制备多层MXene，并利用超声剥离获得单层d-MXene；2）采用三阶段缩聚法制备三聚氰胺-甲醛预聚体，通过界面聚合构建微胶囊壳层；3）通过氢键作用将MXene纳米片锚定在微胶囊表面，形成核壳结构。

Characterization of MFPCM@MXene
SEM分析显示，MXene的二维纳米片层结构（层间距0.98±0.12 nm）通过氢键与微胶囊壳层紧密结合。DSC测试证实复合材料熔融焓达178.6 J/g，且经过100次冷热循环后性能保持率超过95%，表明优异的相变稳定性。

Mechanical reinforcement
纳米级分散的MXene使RPUF-3%MFPCM@MXene压缩强度提升至0.213 MPa，较纯RPUF提高28%。微米级泡孔结构（平均直径152±26 μm）的均匀分布是力学增强的关键因素。

Flame retardancy
锥形量热测试显示，复合材料总热释放（THR）和烟雾释放（SPR）分别降至25.85 MJ/m²和24.25 m²，降幅达45.7%和43.6%。MXene的纳米片层结构能有效阻隔热量传递，而钛元素催化炭化形成致密保护层。

Thermal management
在模拟太阳辐射下，复合材料展现3.2 °C/min的快速升温速率和2.1 °C/min的缓慢降温速率，证实其动态调温能力。红外热成像显示温度分布均匀性提升37%，适用于建筑围护结构。

Conclusions
该研究通过MXene与微胶囊PCM的协同设计，成功实现RPUF复合材料阻燃性、力学强度和热管理性能的三重突破。特别值得注意的是，MXene的二维纳米结构不仅提升导热系数（0.486 W m^?1 K^?1），其表面丰富的官能团还增强了与聚合物基体的界面相互作用。这种"一材多效"的设计思路，为发展符合绿色建筑标准的新型隔热材料提供了重要技术路径。

讨论
相比传统阻燃剂，MXene的纳米片层阻隔效应可减少添加剂用量（仅3wt%），避免对泡沫孔隙结构的破坏。未来研究可进一步探索MXene与其他纳米材料（如碳纳米管）的协同效应，以及在极端环境下的长期稳定性。该成果对推动建筑节能与防火安全技术的融合发展具有重要指导意义。