电磁波吸收、防火性能和隔热效果：一种类似珊瑚的有机-无机杂化材料，用于制备多功能环氧树脂/木材复合材料

《Progress in Organic Coatings》：Electromagnetic wave absorption, fire resistance, and thermal insulation: A coral-like organic-inorganic hybrids for preparing multifunctional epoxy resin/wood composites

本研究通过创新成分结构策略制备了珊瑚状有机-无机纳米杂化物DAS@MA，并将其作为环氧树脂涂层的多功能添加剂，成功提升了木材复合材料的阻燃性（V-1级）、电磁波吸收（RL达-59.9 dB）及隔热性能（热导率降低36.4%），为满足木结构多功能需求提供了新方案。

　　本研究致力于开发一种新型的木质复合材料，旨在满足现代建筑对木材结构在防火、电磁波吸收以及热绝缘性能方面的多功能需求。通过创新的组分-结构策略，我们合成了一种珊瑚状的有机-无机纳米杂化材料（DAS@MA），并将其作为多功能添加剂应用于环氧树脂涂层中。该材料不仅提升了木材的防火性能，还显著增强了其对电磁波的吸收能力以及热绝缘效果，为木材在复杂环境下的应用提供了新的可能性。

木材作为一种传统建筑材料，因其成本低廉、易于加工和良好的环境适应性，在许多地区仍然不可替代。然而，木材本身的易燃特性使其在现代建筑中面临严重的火灾隐患。近年来，随着全球范围内森林火灾频发，例如美国加利福尼亚州的多次大规模野火，木质结构的防火问题愈发受到关注。这些事件表明，即使在现代建筑中，木材框架仍然广泛存在，因此对木材进行有效的防火处理变得尤为重要。

在历史发展过程中，人类对木材防火的研究可以追溯到古代。例如，古希腊人曾使用明矾溶液来改善木材的耐火性。然而，这种传统的浸渍方法存在明显的局限性，尤其是在高密度木材中，其渗透效果较差。此外，明矾化合物在潮湿或户外环境中容易发生溶解，导致防火性能下降。进入20世纪后，随着人工合成聚合物的出现，现代防火技术得到了快速发展。卤素类阻燃剂因其高效的阻燃性能一度成为市场主流，但随着对卤素化合物潜在环境和健康危害的研究不断深入，其使用逐渐受到限制和质疑。

为了应对这些问题，研究者们开始探索替代性的防火方案。例如，膨胀型阻燃剂（IFR）和无机氢氧化物（如氢氧化镁和氢氧化铝）等材料被用于防火涂层的开发。然而，这些材料通常需要较高的添加量才能达到理想的防火效果，这可能会对聚合物涂层的机械性能造成负面影响。此外，许多这类材料容易吸湿，导致活性成分从涂层中渗出，进一步削弱其性能。因此，寻找一种既能有效提升木材防火性能，又不会影响其结构完整性的新型材料成为研究的重点。

近年来，纳米技术的发展为聚合物防火涂层的创新提供了新的思路。纳米材料因其独特的物理和化学性质，如高比表面积、良好的热稳定性以及优异的电磁波吸收能力，被认为是实现木材多功能防护的有力工具。例如，有研究者开发了一种基于MXene和层状双氢氧化物（LDH）的复合涂层，该涂层不仅提升了木材的防火性能，还增强了其对电磁波的吸收能力，适用于海洋和汽车等特殊领域。此外，还有研究者通过将镍涂层的氧化钇稳定氧化锆（Ni-coated YSZ）和APP（聚磷酸铵）复合，制备出具有优异防火和电磁波吸收性能的酚醛环氧复合涂层。

随着电子设备在现代生活中的普及，建筑物内部的电磁信号噪声也日益增加。这种噪声不仅会对精密仪器的正常运行造成干扰，还可能对人类健康构成潜在威胁。因此，对建筑材料提出电磁干扰防护的要求也逐渐上升。木材作为一种天然材料，其对电磁波的穿透性较强，因此，需要通过复合处理来增强其电磁屏蔽能力。目前，主要依靠纳米复合涂层来实现这一目标，这些涂层能够有效吸收或反射电磁波，从而减少其对周围环境的影响。

在本研究中，我们受到自然界珊瑚结构的启发，采用了一种仿生策略，将M(OH)(OCH?)这种有机-无机纳米材料构建成珊瑚状的多反射结构，并对其进行有机改性，最终制备出一种新型的有机-无机杂化材料DAS@MA。该材料不仅具备良好的防火性能，还表现出优异的电磁波吸收能力，同时具备一定的热绝缘特性。通过实验验证，当DAS@MA添加量为40%时，在4.4毫米厚度下，其在5.6 GHz频率下的最小反射损失（RL）达到了?59.9 dB，而在雷达散射截面（RCS）被垂直激发的情况下，最小RL为?49.9 dB。这些结果表明，该材料在电磁波吸收方面具有显著的优势。

在防火性能方面，我们测试了EP/DAS@MA 3%复合材料的防火性能，并发现其在UL-94测试中达到了V-1级别的防火标准，表明其具有良好的阻燃能力。同时，在锥形量热仪测试中，该复合材料的峰值热释放速率为712.9 kW·m?2，比纯环氧树脂/木材复合材料低41.8%。这一数据进一步证明了DAS@MA在提升木材防火性能方面的有效性。

在热绝缘性能方面，DAS@MA的热导率（λ）为0.093 W·m?1·K?1，比纯环氧树脂降低了36.4%。这意味着该材料能够有效减少热量的传递，从而提升木材的热绝缘性能。这一特性对于需要在高温环境下保持结构稳定性的建筑尤为重要。

通过上述实验结果可以看出，DAS@MA作为一种新型的多功能添加剂，能够同时满足木材在防火、电磁波吸收和热绝缘方面的性能需求。这为木材在现代建筑中的应用提供了新的解决方案，特别是在需要兼顾防火安全和电磁防护的特殊场景中，如数据中心、精密仪器实验室等。此外，该材料的低添加量特性也使其在实际应用中更具经济性和环境友好性。

从更广泛的角度来看，本研究不仅为木材复合材料的多功能化发展提供了新的思路，也为其他聚合物基材料的改性研究提供了借鉴。随着建筑行业对材料性能要求的不断提高，多功能复合材料的研发将成为未来的重要方向。通过合理设计材料的结构和组分，可以实现多种性能的协同提升，从而满足复杂应用场景下的需求。

在实际应用中，这种新型的木质复合材料有望用于建筑行业，特别是在需要兼顾防火、电磁屏蔽和热绝缘性能的场合。例如，在高层建筑、智能建筑或特殊工业设施中，木材作为主要结构材料，其防火性能的提升对于保障人员安全和财产安全至关重要。同时，随着物联网和无线通信技术的广泛应用，电磁干扰问题也日益突出，因此，对建筑材料进行电磁屏蔽处理具有现实意义。此外，热绝缘性能的提升可以有效减少建筑能耗，提高能源利用效率，符合当前可持续发展的趋势。

在研究过程中，我们采用了多种先进的材料合成和表征技术，以确保DAS@MA的结构和性能符合预期。例如，通过核磁共振（NMR）技术分析了DAS@MA的分子结构，确认了其组成成分的正确性和一致性。此外，我们还使用了扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等手段，对材料的微观结构和晶体特性进行了详细研究。这些表征手段为材料性能的优化提供了重要的数据支持。

值得注意的是，本研究中所使用的DAS@MA材料具有良好的环境友好性。相比于传统的卤素类阻燃剂，该材料在制备过程中避免了有害物质的使用，同时其低添加量特性也减少了对材料性能的负面影响。这种环保型多功能材料的开发，符合当前建筑材料行业向绿色、可持续方向发展的趋势。

此外，本研究还探讨了DAS@MA在不同应用场景下的适应性。例如，在需要高防火性能的建筑中，可以采用更高比例的DAS@MA添加，以确保材料在极端条件下的安全性。而在需要电磁屏蔽和热绝缘性能的建筑中，可以适当调整DAS@MA的添加比例，以达到最佳的综合性能。这种灵活性使得该材料在实际应用中具有较高的可调性和适应性。

在材料的制备过程中，我们采用了多种先进的合成方法，包括溶剂热法、静电自组装技术等，以确保DAS@MA的结构稳定性和性能一致性。这些方法不仅提高了材料的合成效率，还增强了其在实际应用中的可靠性。同时，我们对材料的加工工艺进行了优化，使其能够更好地与木材基体结合，从而提升复合材料的整体性能。

总的来说，本研究通过创新的组分-结构策略，成功制备了一种具有高效防火、电磁波吸收和热绝缘性能的新型木质复合材料。该材料的多功能特性使其在建筑、航空航天、汽车制造等多个领域具有广阔的应用前景。未来，我们计划进一步优化材料的性能，并探索其在更复杂环境下的应用潜力，以推动多功能复合材料的发展和应用。