受蜱虫启发的自愈型涂层，具有强附着力、可生物降解性以及无磷阻燃性能

《Journal of Materials Science & Technology》：Tick-inspired, self-healing, and strongly-adhesive coatings with biodegradability and phosphorus-free fire retardancy

动态共价网络磷-free防火涂层设计及其仿生自修复机制。

　　本研究聚焦于开发一种高性能、无磷、可回收且具备自修复能力的新型防火涂层——DCNC/40PEN。该涂层基于多种非共价相互作用和碳化机制，旨在解决传统防火涂料在附着力、防火性能以及环境友好性方面的不足。传统防火涂料虽然在多种工业领域中广泛应用，但普遍存在附着力差、防火性能有限以及难以回收等问题。这些涂料通常含有磷元素，不仅降低了其可回收性，还导致了环境中的微塑料污染和生物累积风险。为应对这些挑战，研究团队受到自然界中蜱虫唾液蛋白多非共价附着机制的启发，设计了一种具有强大附着力和自修复能力的新型防火环氧树脂涂层。

### 附着力与自修复机制

DCNC/40PEN涂层通过引入氢键、π-π堆积和阳离子-π相互作用，显著增强了其对多种基材的附着力。这些非共价相互作用不仅提高了涂层与基材之间的结合力，还赋予其在室温下自修复的能力。研究发现，该涂层在受到刮痕或穿刺后，可以通过非共价和共价相互作用实现自我修复，恢复其原有的物理和化学性能。这种自修复能力对于实际应用至关重要，因为它能够延长涂层的使用寿命，并减少因损坏而产生的维护成本。

此外，DCNC/40PEN涂层具备闭合循环回收性，这意味着其废弃后可以被有效地回收再利用。这种特性得益于其动态共价网络结构，能够在外部刺激下进行拓扑重排，从而实现材料的再加工和再利用。通过化学回收，研究人员成功地将涂层分解为可再利用的成分，并且其附着力在多次回收后依然保持良好，表明其具有出色的可持续性。

### 防火性能的提升

在防火性能方面，DCNC/40PEN涂层表现出显著的优势。传统的防火涂层通常依赖于磷系阻燃剂，这些阻燃剂虽然能有效促进炭化，但其环境影响不容忽视。相比之下，DCNC/40PEN采用无磷配方，利用磺酸基团和席夫碱（Schiff base）基团的协同作用，实现高效的防火效果。研究发现，当涂层厚度为100微米时，DCNC/40PEN涂层显著提升了木材的极限氧指数（LOI）至35.0%，并达到了UL-94 V-0等级，表明其在防火性能上优于现有商业产品。

该涂层在燃烧过程中能够形成致密的炭层，有效隔离热量和氧气，从而抑制燃烧反应。通过拉曼光谱分析，研究人员发现DCNC/40PEN涂层在燃烧后形成的炭层具有较高的石墨化程度，这表明其在凝相中的防火机制非常有效。同时，涂层在气相中也表现出一定的阻燃作用，其热解产物中的二氧化硫（SO?）等非易燃气体能够稀释可燃气体和高能自由基，从而进一步降低燃烧风险。

### 多功能性与广泛适用性

DCNC/40PEN涂层不仅在木材上表现出优异的防火性能，还在多种其他材料上展现出广泛的适用性。例如，当应用于聚氨酯泡沫（PU）、聚苯乙烯泡沫（EPS）和乙烯-醋酸乙烯酯泡沫（EVA）时，该涂层显著提升了这些材料的极限氧指数和UL-94等级。研究显示，当涂层厚度为300微米时，PU/DCNC/40PEN、EPS/DCNC/40PEN和EVA/DCNC/40PEN样品均能通过UL-94 V-0测试，表明其在多种聚合物泡沫中的防火效果非常理想。

此外，DCNC/40PEN涂层还适用于钢结构。在高温火焰暴露实验中，纯钢板的背面温度在100秒内迅速上升至452°C，并在1200秒时达到580°C，显示出其在高温下的结构稳定性不足。然而，当钢表面涂覆DCNC/40PEN涂层后，其背面温度显著降低，分别在100秒和1200秒时仅为220°C和369°C，表明该涂层能够有效保护钢结构免受高温损害。这种防火能力不仅有助于延长钢结构的使用寿命，还提高了建筑的安全性。

### 环保与可持续性

由于传统防火涂料含有磷元素，其在环境中容易积累并影响生态系统，因此开发无磷、可回收的防火材料具有重要意义。DCNC/40PEN涂层通过引入动态共价网络，不仅实现了闭合循环回收，还具备良好的生物降解性。在实验室测试中，该涂层在温和条件下（如在1mol/L氢氧化钠溶液中80°C浸泡4小时）可完全降解，且其降解产物可以重新用于制备新的涂层材料。这不仅减少了材料的浪费，还降低了对环境的污染。

与此同时，DCNC/40PEN涂层在潮湿环境中依然保持良好的附着力和自修复能力，使其在复杂环境中具有更高的适用性。这种特性使其在建筑、汽车、航空航天等多个领域中展现出广阔的应用前景。研究团队还发现，该涂层在水性环境中表现出优异的耐水性，即使经过7天的浸泡处理，其防火性能依然保持良好，表明其在长期使用中具有较高的稳定性。

### 未来应用与意义

DCNC/40PEN涂层的多功能性和可持续性使其成为新一代防火材料的理想选择。与现有的商业防火涂料相比，该涂层不仅在附着力和自修复能力方面表现突出，还能够在不使用溶剂的情况下在室温下固化，大大降低了生产成本和环境影响。此外，其无磷配方避免了磷系阻燃剂可能带来的生态和健康风险，使其更加环保。

该研究为开发可持续、多功能的防火涂层提供了一种新的生物启发设计策略。通过模仿自然界中蜱虫的附着机制，研究人员成功地将非共价相互作用与碳化机制结合，实现了材料性能的全面提升。这种创新性的设计方法不仅适用于木材，还可以扩展到其他建筑材料，如聚合物泡沫和钢结构，从而推动建筑行业的绿色转型。

综上所述，DCNC/40PEN涂层凭借其优异的附着力、自修复能力、可回收性和无磷配方，在防火性能和可持续性方面均表现出色。它不仅能够有效提升材料的防火性能，还为实现“绿色”建筑和工业提供了新的解决方案。未来，随着对环保材料需求的增加，这种新型防火涂层有望在多个领域得到广泛应用，并推动相关技术的进一步发展。