纳米结构防火屏障：BN@Cu2+协同涂层——赋予EPS优异的阻燃性能和机械性能

《Polymer》：Nano-Architectured Fire Shield: BN@Cu2+ Cooperative Coating for Excellent Flame Retardancy and Mechanical Properties of EPS

聚苯乙烯泡沫（EPS）因广泛用途但易燃问题突出，本研究开发MUF/BN@CuHP/APP复合阻燃涂层。通过纳米层状BN物理阻隔与催化生炭协同作用，以及CuHP与APP的气相阻燃协同，显著提升EPS阻燃性能（LOI达37.4%，UL-94 V-0认证），同时优化机械强度（抗压强度提升43.3%）和热稳定性，并保持水抗性和透明度。

　　近年来，随着建筑材料的不断发展，可发性聚苯乙烯泡沫（EPS）因其优异的缓冲性能、抗冲击性、隔热性、耐老化性和防水性，被广泛应用于建筑外墙保温、装饰构件、轻质填充以及隔音材料等领域。由于其成本低廉，EPS在工业和民用建筑中得到了大量使用。然而，EPS的主要化学成分是碳氢化合物，其多孔蜂窝结构使得材料具有高度可燃性，带来了显著的火灾隐患。在燃烧过程中，EPS不仅会产生大量烟雾，还会释放有毒气体，对生态环境和人类健康构成双重威胁。随着EPS应用规模的不断扩大，其引发的消防安全问题也日益严重，因此，开发一种具有优异综合性能的无卤阻燃EPS泡沫复合材料已成为迫切需求。

阻燃涂层技术是一种通过在EPS泡沫板表面施加功能性涂层来提升其阻燃性能的方法。其核心原理是通过建立物理或化学屏障，抑制燃烧过程中热量和可燃物质的传递。这一技术主要依赖于几种关键机制，如吸热分解、表面炭化、可燃气体稀释以及自由基捕获。通过这些机制，阻燃涂层能够有效延缓火焰的传播，降低燃烧速率，并减少有害气体的释放。与传统的阻燃剂相比，阻燃涂层技术具有环保性、广泛适用性以及工艺简单等优势，可以适配多种基材，如木材、钢结构、纺织品和多孔材料等。同时，其设计灵活性也使得该技术在实际应用中具有较高的可调性。

随着纳米材料的不断发展，它们在阻燃技术中的应用正逐渐成为一种新的解决方案。纳米材料因其独特的结构特性，展现出环境友好、高热稳定性和协同阻燃效应等优点，为开发高性能的无卤阻燃系统提供了广阔前景。在EPS阻燃过程中，纳米材料可以显著提升阻燃效率，并在较低添加量下有效抑制火焰传播。这种小尺寸效应不仅减少了对基材性能的影响，还降低了传统阻燃剂的使用量，从而降低了毒性气体的释放，减少了对环境和人体健康的危害。此外，纳米材料在燃烧过程中能够形成连续的碳层，有效阻断热量和氧气的传递，同时通过其结构或功能基团捕获自由基，从而中断燃烧链反应。这种多层级的协同作用，使得纳米材料在阻燃性能上具有独特优势。

近年来，硼氮化物（BN）纳米材料因其独特的层状结构和优异的阻燃性能，成为阻燃涂层领域的研究热点。BN纳米片具有约2-5纳米的厚度，这种微小的尺寸使其能够形成高度致密的物理屏障，从而有效阻止热量和氧气的扩散。同时，BN的高热稳定性也使其在高温环境下仍能保持结构完整性，为材料提供额外的保护。此外，BN的低毒性特性使其成为替代传统卤素阻燃剂的理想选择。在燃烧过程中，BN能够通过其物理屏障和化学催化作用，显著提升材料的阻燃性能。例如，Li等人[37]通过将离子液体功能化的硼氮化物纳米片（ILFR-fBNNSs）引入环氧树脂（EP）中，制备了EP/ILFR-fBNNSs纳米复合材料。实验结果表明，在12.1体积百分比的ILFR-fBNNSs添加量下，材料的热导率提高了478%，而热释放速率（PHRR）和总热释放（THR）分别降低了68.9%和42.3%。这种性能的提升主要得益于ILFR-fBNNSs形成的三维热传导网络以及其协同阻燃机制。

除了BN纳米材料，其他金属离子，如铜离子（Cu2?），在阻燃纳米材料中的应用也备受关注。Cu2?因其独特的价态转换能力和多尺度催化活性，被广泛用于催化型纳米阻燃材料中。Ye等人[42]研究了Cu修饰的石墨烯复合材料（Cu(0)-GO、Cu(II)-rGO、CuO-GNS）在环氧树脂/磷酸铵（APP）系统中的应用。实验结果表明，Cu(0)-GO与APP的协同作用最佳，能够显著降低热释放速率。其机制涉及Cu(0)通过价态转换（Cu?→Cu?→Cu2?）催化形成富含P(V)磷酸盐的致密炭层，同时CuO-GNS通过Cu?/Cu2?的氧化还原循环，将燃烧产物（如烷烃、芳香烃、CO）转化为CO?，从而有效抑制烟雾和毒性气体的释放。

此外，Zhang等人[43]合成了一种含B/N元素的Cu-MOF复合材料（G@Cu-MOF），将其添加到环氧树脂中，制备了EPS/MUF/BN@CuHP/APP复合材料。实验结果表明，当添加量为6 wt%时，该复合材料在燃烧过程中显著降低了热释放速率（PHRR）、总热释放（THR）、CO和CO?的生成量，分别减少了55%、14%、59%和55%。其阻燃机制主要包括两个方面：首先，Cu-MOF在燃烧过程中释放非可燃气体（如BF?和NH?），从而稀释可燃物质，同时形成铜硼酸盐，这种物质在凝聚相中能够有效阻断热量和氧气的传递；其次，石墨烯通过其高热导率降低基材的温度，并与Cu-MOF协同作用形成致密炭层，从而显著抑制热量和烟雾的释放，提升材料的防火性能。

基于上述研究，本文提出了一种新型的EPS/MUF/BN@CuHP/APP阻燃复合材料。其中，MUF作为粘合剂，BN作为纳米层状阻燃材料，CuHP和APP则作为协同阻燃剂。该复合材料通过物理屏障隔离和催化炭化双重机制，对EPS材料的阻燃性能产生显著提升。BN的层状结构使其在燃烧过程中能够形成连续且致密的物理屏障，从而有效抑制热量和氧气的扩散。同时，BN还能够通过催化作用促进炭层的形成，增强材料的热稳定性。此外，CuHP和APP的协同作用进一步提升了阻燃效果，使得复合材料在燃烧过程中能够有效降低热释放速率，并减少烟雾和有毒气体的生成。

本研究系统地探讨了不同涂层配方对EPS材料阻燃性能、机械性能、热稳定性和水性的影响。通过实验分析，研究人员发现，在特定的BN@CuHP/APP质量配比下，该复合材料能够达到最佳的综合性能。这不仅体现在阻燃性能的显著提升，还包括机械强度的增强、热稳定性的改善以及水性能力的提高。SEM图像、XPS和XRD分析进一步验证了该阻燃涂层能够完全覆盖EPS基材，并形成高度致密的保护层，从而有效提升材料的防火能力。

该研究为EPS材料的阻燃改性提供了一种新的环保策略和理论基础。通过将纳米材料与传统阻燃剂结合，研究人员不仅提升了材料的阻燃性能，还降低了对环境和人体健康的潜在危害。这种复合材料的开发，有助于推动建筑行业向更安全、更环保的方向发展，同时为其他多孔材料的阻燃改性提供了参考。此外，研究结果还表明，通过合理设计涂层配方，可以在不影响材料原有性能的前提下，显著提升其阻燃能力，这为未来阻燃材料的创新与应用奠定了重要基础。

在实际应用中，这种新型阻燃涂层不仅能够有效提升EPS材料的防火安全性，还具有良好的设计灵活性和环境适应性。由于其制备工艺相对简单，该技术有望在建筑、交通、电子等多个领域得到推广和应用。同时，该研究还强调了纳米材料在阻燃技术中的重要作用，指出其通过物理屏障和化学催化机制，能够实现对燃烧过程的多层级控制，从而提升材料的整体性能。此外，研究结果还表明，通过合理调控纳米材料的添加比例，可以实现对材料性能的精确控制，为未来的阻燃材料研发提供了新的思路。

综上所述，本文的研究成果为EPS材料的阻燃改性提供了一种全新的解决方案。通过引入BN纳米材料和CuHP/APP协同阻燃体系，研究人员成功开发出一种具有优异综合性能的阻燃复合材料。该材料不仅在阻燃性能上表现出色，还能够有效提升机械强度、热稳定性和水性能力。这些特性使得该材料在实际应用中具有更高的安全性和实用性。此外，研究还揭示了纳米材料在阻燃技术中的关键作用，为未来开发更加高效、环保的阻燃材料提供了理论支持和技术借鉴。随着相关研究的不断深入，相信这种新型阻燃复合材料将在建筑、交通、电子等领域发挥更大的作用，为实现材料的安全性与功能性相结合提供新的可能性。