基于DNA的生物基UV固化玻璃体涂层：增强阻燃性与可循环性

《Progress in Organic Coatings》：Bio-based UV-curable vitrimeric coatings incorporating DNA for enhanced flame retardancy and circularity

　　

研究人员将脱氧核糖核酸（DNA）引入生物基UV固化玻璃体涂层中。添加20% w/w的DNA使峰值热释放速率（pHRR）降低38%，烟雾释放量降低73%。含DNA的玻璃体涂层保持了愈合能力和化学可回收性。研究展示了一种将火安全性与可循环性相结合的多功能平台。

聚合物涂层在建筑、交通、电子等领域广泛用于保护基材，并常需兼具防火性能。传统阻燃剂多为合成磷添加剂，虽高效但存在环境持久性和有害降解产物问题。脱氧核糖核酸（DNA）具有类膨胀型阻燃剂结构：磷酸骨架为酸源，脱氧核糖为碳源，含氮碱基为发泡剂，受热可促进成炭并释放不燃气体，且可从工业废物流获得。玻璃体（vitrimer）作为共价适应性网络，通过动态键交换可实现愈合和化学回收，契合循环经济。但将DNA作为膨胀型添加剂用于生物基UV固化亚胺玻璃体涂层尚未见报道。为此，研究人员以香草醛衍生的席夫碱树脂（含动态亚胺键）为基体，物理分散DNA，系统评估了阻燃性、热激活划痕愈合和化学回收性，旨在构建兼具火安全性与可循环性的多功能平台。

研究人员采用的关键技术方法包括：以鲱鱼精子DNA（<50 bp）为生物基阻燃剂；通过甲基丙烯酸化香草醛（MVL）与2,2'-(亚乙二氧基)双(乙胺)（DOM）的席夫碱反应合成DOM-MVL树脂；将DNA以10%和20% w/w浓度与光引发剂混合，经UV固化制备涂层和自支撑膜；运用SEM-EDS、ATR-FTIR、DSC、DMTA、TGA、凝胶含量测试、UL94垂直燃烧、锥形量热（CC）、PCFC、划痕愈合实验及化学回收（过量DOM中加热分解后热压）等手段表征性能。

3.1 涂层形貌分析
SEM显示未填充DOM-MVL涂层均一，含DNA涂层中则存在尺寸数十至数百微米的分散聚集体，EDS确认聚集体含磷而周围基体无磷，说明DNA与疏水树脂相容性有限，以物理分散态存在，但UV固化仍形成了完整连续网络。

3.2 化学与热表征
ATR-FTIR证实DNA成功掺入；DSC显示T_g随DNA含量增加从66°C升至75°C，DMTA显示含DNA配方室温储能模量提高，T_g在81-87°C；TGA（空气）显示所有配方均呈三步降解，含DNA配方残炭量显著增加（10%和20% DNA分别为5.8%和13.7%），归因于DNA磷酸基促成炭。DCM中凝胶含量高于94%，水中凝胶含量降至86%和76%，表明DNA可被部分水提取，水耐久性有限。

3.3 阻燃性能
UL94垂直燃烧中所有配方均为N.C.，但无熔滴。CC测试中，10%和20% DNA使pHRR分别降低23%和38%，THR分别降低31%和46%，TTI从19s降至9s和7s；20% DNA使TSR降低73%，SEA从604 m² kg^-1 g^-1降至177 m² kg^-1 g^-1；残炭率从26.0%增至34.5%。SEM显示含DNA的残炭更致密，EDS检测到磷残留。PCFC测试中pHRR和THR亦降低，表明固有可燃性下降。这些结果表明DNA通过凝聚相成炭抑制燃烧。

3.4 愈合性能
在120°C下进行多循环划痕闭合实验，纯DOM-MVL涂层划痕完全闭合，前两次约60-70s，第三次约150s；10% DNA配方愈合动力学几乎不变，20% DNA配方愈合时间增加20-30s，但仍完全闭合。说明DNA不阻碍热激活划痕愈合。

3.5 分解及化学回收
涂层在过量DOM中通过转亚胺化分解，回收低聚物并与少量MVL（及DNA）混合后热压制成再生膜。PCFC显示含DNA再生样品pHRR和THR降低，且与原始样品相比略低，表明再加工不损害阻燃性。TGA显示DNA改变了网络降解路径，减少了可燃挥发物释放。

讨论部分指出，DNA与树脂的极性不匹配导致异质形貌，这是当前配方的局限性，但未妨碍UV固化、划痕愈合和化学回收。DNA在凝聚相中发挥成炭作用，显著降低热释放和烟释放，但UL94未获分类。水浸泡时DNA部分析出，提示水耐久性不足。未来需优化DNA分散策略并评估鱼加工副产物来源的经济性。

研究结论：研究人员设计并表征了一种全生物基UV固化玻璃体涂层，以DNA为可持续阻燃添加剂。DNA虽在基体中分散不均，但体系仍具高交联度；DNA提高了T_g和模量，并在强制燃烧中将pHRR降低38%、THR降低46%、TSR降低73%，同时保留愈合和化学回收能力，为可持续UV固化涂层提供了概念验证。基于这些概念验证结果，未来研究将探索更低的DNA负载量和优化分散策略，同时评估从鱼类加工副产物中获取DNA以及高效提纯对经济可行性和可扩展性的支持。