非溶剂致相分离制备用于自适应建筑应用的耐磨、可塑形矿物水塑性材料

《The Innovation》：Wear-resistant, moldable mineral hydroplastics via nonsolvent-induced phase separation for adaptive architectural applications

　　

研究人员通过采用非溶剂致相分离（nonsolvent-induced phase separation，NIPS）策略，开发了一种可水加工、以矿物为主导的结构材料，称为“矿物水塑性材料”（mineral hydroplastic，M-Hydroplastic）。通过特定单体的原位聚合制备出高矿物含量（最高75 wt %）水凝胶，并在非溶剂刺激下借助聚合物链重排实现温和条件下成型；进一步通过压制辅助脱溶优化矿物片层取向，获得兼具矿物特性（抗弯强度90.6 MPa、硬度0.23 GPa、阻燃性）与塑料特性（密度约1.5 g cm?3、易模压）的水加工高矿物含量塑料。实验与计算分析表明，强界面氢键和类珍珠层微观结构是其优异力学性能的基础。该策略可推广至多种矿物，获得具有可调光、热、辐射性能的水塑性材料家族，并通过可逆相分离实现再加工与回收。这类多功能阻燃材料可用于多场景节能建筑，使陶瓷级力学性与聚合物级加工性得以统一，为下一代工程用塑料替代材料设计提供依据。

研究背景方面，传统塑料虽轻量、低成本且易加工，但存在力学脆化、易燃与环境持久污染等问题。生物质基材料多限于薄膜或气凝胶，块体成型工艺复杂且本身易燃；天然矿物虽力学强、阻燃且储量丰富，但传统块体化依赖1000°C以上热烧结，高含量矿物片层的均匀负载与结合困难，仿珍珠层材料常以加工性换取强度，难以复杂重塑。因此，研究人员需要一种兼顾矿物强度、阻燃与塑料轻量、可模压、可回收的块体结构材料。

该研究发表于《The Innovation》。研究人员提出以NIPS为结构调节器，用云母作砖、聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）作灰浆、氧化纤维素纳米纤维（cellulose nanofibers，CNFs）作胶，经原位聚合、乙醇刺激相分离、100 MPa/50°C压制得到M-Hydroplastic，结论是该材料兼具矿物与塑料特征，可通过可逆相分离再加工，且策略对多种层状硅酸盐矿物具有普适性，对节能建筑和塑料替代具有重要意义。

主要关键技术方法上，研究人员采用原位聚合构建PAM/CNF/矿物水凝胶；以乙醇作为非溶剂触发NIPS，使PAM链塌缩重排并驱动矿物片层致密化；用单向压制辅助脱溶以提升云母取向与块体密度；结合低场核磁（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）、傅里叶变换红外（Fourier transform infrared，FTIR）、X射线显微断层、小角X射线散射（small-angle X-ray scattering，SAXS）表征结构演化；用密度泛函理论（density functional theory，DFT）与分子动力学（molecular dynamics，MD）计算界面结合能与链构象；以纳米压痕、落锤冲击、极限氧指数（limiting oxygen index，LOI）、锥形量热评估力学与燃烧行为；并以摇篮到大门生命周期评价（life cycle assessment，LCA）核算气候变化潜值。

结构与NIPS机制部分，研究人员通过CNF稳定二维矿物片层，原位聚合后PAM网络包裹云母；乙醇破坏水-水氢键，PAM构象重排拉近矿物片层，FTIR与2D相关谱显示N–H、C=O氢键增强，LF-NMR中出现T_2b束缚水组分，MD显示PAM在乙醇中回旋半径减小并富集于云母界面；压制后云母取向度由水凝胶0.27升至M-Hydroplastic约0.85，形成致密砖-泥结构。

力学与界面机制部分，M-Hydroplastic抗弯强度90.6 MPa、抗弯模量65.3 GPa、硬度0.23 GPa，落锤峰值力与吸能优于纯PAM；DFT结合能中mica-CNF为?3.02 eV，高者作胶；XPS中Al 2p、Si 2p峰向低结合能移；纳米划痕显示其H³/E^?2约48，耐磨性优于POM与Al。

阻燃部分，1300°C丁烷焰下迅速成炭自熄，LOI 37.6%，UL-94 V-0；锥量热中峰值热释放率降58%，总烟释放降53.8%；拉曼I_D/I_G更低说明云母促石墨化炭层，气相FTIR表明混合云母-炭层抑制CO、NH₃等可燃气释放，阻燃指数（flame retardant index，FRI）为4.25。

策略普适性部分，研究人员将方法扩展至蒙脱石（montmorillonite，MMT）、伊利石、高岭土、绿泥石、蛭石（vermiculite，VMT），均形成有序砖-泥结构，抗弯强度为PAM的2?3倍，肖氏D硬度86?88 HD，且均具自熄性，证明NIPS多尺度增强具广泛矿物兼容性。

建筑节能应用部分，低云母含量样品可见光透过率90%，乙醇刺激降至17%以下，可作智能窗；溶剂塑形蜂窝芯抗压超3 MPa；以方解石替代云母时太阳反射率超90%、8?13 μm大气窗口发射率高，户外平均降温2.6°C；全球模拟显示赤道与亚热带年节能量达35 MJ m^?2，南亚等地年碳减排可达25 t CO₂；LCA中气候变更潜值4.82 kg CO₂ eq. kg^?1，可再生电力可降至4.56。

讨论部分总结，研究人员指出该NIPS诱导多尺度增强策略调和了陶瓷级力学与聚合物级加工性，高矿物含量下仍可逆相分离再成型，避开了热烧结与静态仿生堆叠限制；材料在湿度、紫外老化后性能总体稳定，表面防水处理后可满足建筑轻量化部件需求，为多气候区被动冷却与矿物/生物质资源可持续利用提供可放大路径。

结论部分译为：综上，研究人员通过通用NIPS诱导多尺度增强策略，开发了兼具矿物（力学强、阻燃）与塑料（轻量、易加工）特征的高矿物含量M-Hydroplastic；PAM链非溶剂重排与辅助压制强化了矿物片层间界面结合，CNF、PAM与矿物间强相互作用带来优异力学与耐磨性，策略适用于多种层状硅酸盐矿物；该材料具有可调光热特性、阻燃节能建筑适用性及4.82 kg CO₂ eq. kg^?1的气候变化潜值，为高性能矿物主导塑料替代材料与天然资源可持续利用提供了可行且可放大的途径。