仿生制备金属有机框架掺杂磷氮化合物协同提升硅橡胶阻燃效率与综合性能

针对硅橡胶(SR)阻燃效率低、机械强度受损及耐久性不足等问题，研究人员受贻贝粘附蛋白启发，通过多巴胺(PDA)和沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)在磷酸蜜胺(DTMA)表面的层级沉积，构建了单组分阻燃剂DTMA@PDA@ZIF-8。该材料使SR在18 phr添加量下获得32.0%极限氧指数(LOI)和UL-94 V-0级阻燃性能，通过气固相协同作用显著降低热释放，并保持优异耐久性和隔音效果，为高性能SR材料开发提供新思路。

　　

硅橡胶(SR)因其优异的温度适应性、抗撕裂性和电绝缘性，广泛应用于建筑、电子和航空航天领域。然而，其固有可燃性成为重大安全隐患。传统多组分阻燃体系存在效率低、机械性能劣化和环境毒性等问题，而单组分阻燃剂又难以兼顾高效性与综合性能。更棘手的是，极端条件下的耐久性不足进一步限制了实际应用。如何打破阻燃效率与材料性能之间的"跷跷板效应"，成为该领域亟待突破的科学难题。

受自然界贻贝粘附蛋白启发，吉林某高校研究团队创新性地设计出仿生单组分阻燃剂DTMA@PDA@ZIF-8。通过多巴胺(PDA)介导的仿生矿化策略，在磷酸蜜胺(DTMA)表面构建了沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)纳米涂层。这种"三明治"结构不仅保留了磷氮化合物的气相阻燃作用，还引入了金属有机框架(MOF)的催化成炭功能。当以18 phr(每百份橡胶添加量)掺入SR时，复合材料展现出32.0%的极限氧指数(LOI)和UL-94 V-0级阻燃性能，相关成果发表在《Materials Today Chemistry》。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)验证材料结构，通过热重分析(TGA)评估热稳定性。阻燃性能测试涵盖LOI、垂直燃烧(UL-94)、微尺度燃烧量热(MCC)和灼热丝试验(GWT)。采用扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)研究残炭形貌与元素分布。

表征分析
FTIR光谱显示DTMA@PDA@ZIF-8成功整合了DTMA的P=O键(1250 cm^-1
)、PDA的芳香环(1610 cm^-1
)和ZIF-8的Zn-N配位键(421 cm^-1
)。XRD证实ZIF-8特征峰(7.3°和12.7°)的出现，表明晶体结构完整。TGA显示该材料在600°C残炭率达47.8%，显著高于单一组分。

阻燃性能
SR/DTMA@PDA@ZIF-8的热释放率峰值(PHRR)降低61.3%，总热释放(THR)下降54.7%。灼热丝可燃性指数(GWIT)提升至850°C，燃烧测试中形成致密膨胀炭层，其石墨化程度通过拉曼光谱证实(ID/IG=2.13)。

耐久性机制
PDA的疏水特性使材料在湿热处理后LOI保持率超过95%。ZIF-8框架中的Zn²⁺
催化形成连续炭层，EDS显示残炭中P、Zn元素均匀分布，构成"物理屏障-化学催化"双重保护。

综合性能
拉伸强度仅下降12.4%，远低于传统阻燃体系(通常>30%)。隔声测试在1000-6300 Hz频段平均吸声系数达0.67，归因于ZIF-8的多孔结构声波散射效应。

这项研究突破性地实现了三大协同：PDA的生物粘附与ZIF-8的金属催化协同、DTMA的气相阻燃与MOF的固相成炭协同、阻燃效率与机械性能协同。所开发的"一石三鸟"策略不仅为SR材料性能优化提供新范式，其仿生构建方法还可拓展至其他高分子阻燃体系。特别是在建筑领域，这种兼具防火安全、机械强度和隔音功能的材料，有望解决高层建筑防火与声学设计的矛盾需求。正如研究者Ziyang Zhang等强调的，这种"结构-功能一体化"设计理念，将推动阻燃材料从"单一性能突破"向"系统性能平衡"的范式转变。