阻燃涂层在降低易燃高分子材料的火灾威胁方面因其高效、方法简单等优势受到越来越多的关注。阻燃涂层通过施加在高分子材料表面，将阻燃作用集中在材料界面实现高效阻燃。然而，现有的阻燃涂层通常在高湿、高温或长期外挤压等复杂应用条件下耐久性差。且经阻燃涂层处理后的高分子材料在废弃时通常无法有效回收利用，难以满足可持续发展的要求，亟待研发兼具高耐久性和可回收性的阻燃涂层材料。
针对此难题，四川大学环保型高分子材料国家地方联合工程实验室赵海波教授团队报道了一种兼具高耐久性和可回收性的阻燃纳米涂层。利用阴离子聚丙烯酰胺 (PAM) 通过絮凝组装的强氢键作用捕获无机纳米粒子 (阻燃成分)， 并在软质聚氨酯泡沫 (FPUF) 表面形成微纳机械互锁结构。这种具有强大氢键内聚力和可控微观机械互锁结构的超薄纳米涂层能高效阻燃FPUF并赋予泡沫在复杂应用环境 (水下、化学暴露、热液老化和长期外挤压) 中的高稳定耐久性、持久阻燃性和力学高回弹性。另一方面，利用絮凝组装pH刺激响应可逆性，可通过简单的pH调控来破坏和重建实现阻燃涂层的高效解组装和再组装的闭环循环回收 (图1)。这项工作不仅提供了通过絮凝组装构建耐苛刻环境的耐久涂层的仿生策略，而且为可回收阻燃涂层的可持续发展提供了新的途径。
在氢键和范德华力的相互作用下，具有亲和性的PAM层稳定均匀地铺展在基体表面，通过与SEP的氢键络合作用驱动絮凝组装，PAM/SEP涂层快速沉积形成的独特几何形状机械互锁，增强涂层的附着力 (图2)。PAM/SEP涂层凭借其强大的氢键内聚力和独特的微纳互锁结构，在复杂的应用环境下 (包括水下、化学品暴露、高温、高湿、长期外力挤压等) 能保持高稳定性和耐久性 (图3)。这种连续致密的PAM/SEP涂层在燃烧过程中形成杂化炭的强阻隔屏障抑制传热传质，大幅减少火灾中FPUF的烟热和有毒气体释放。与未处理泡沫相比，PAM/SEP涂层泡沫表现出良好的自熄性，峰值热释放速率和烟释放速率分别降低了52%和72%。该絮凝组装方法适用于多种无机粒子构建涂层，均表现出有效的隔热抑烟作用 (图4)。此外，超薄纳米涂层发挥高效持久阻燃作用的同时最大限度地降低了对基材力学性能的影响。
图3 PAM/SEP涂层在各种情况下的环境耐受性和耐久性
通过简单的pH调整和反复拆卸/重组，涂层的氢键和微观互锁结构可以被可逆破坏和重建。在不同pH条件下，主导驱动力的改变是实现可逆组装的关键。当体系的pH值分别为酸性、中性或碱性时，各组分相应表现出强聚集性、适度络合性和稳定分散性，并根据pH值进行可逆相互转化 (图5)。因此，利用可逆絮凝组装的PAM/SEP络合体对pH值的刺激响应性使涂层既可回收又耐用。PAM/SEP涂层经碱液浸泡后快速拆卸，中性环境重新组装，涂层经多次拆-装循环的拆卸效率保持在96%左右，回收率接近97% (图6)。本研究中由静电力和氢键驱动的pH响应可逆絮凝组装策略为表面涂层的可控回收再利用提供了解决思路。
相关研究成果以A biomimetic closed-loop recyclable, long-term durable, extreme-condition resistant, flame-retardant nanocoating synthesized by reversible flocculation assembly”为题发表在Materials Horizons上，论文的第一作者为四川大学环保型高分子材料国家地方联合工程实验室的张佳燕博士，王玉忠院士和赵海波教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（51991351）的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D3MH00720K
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