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  隨著社會發展和科技進步，能源和環境問題受到越來越多關注。有機高分子泡沫塑料作為工業與建筑保溫隔熱材料，在節能降耗方面發揮了重要作用。其中，可發性聚苯乙烯（EPS）泡沫材料因重量輕、導熱系數低、化學穩定性好以及良好的機械性能而在隔熱泡沫塑料中應用最廣、用量最大。然而，EPS高度易燃，燃燒時放出大量致命的煙毒氣體，對生命和財產安全造成嚴重威脅。因此，賦予EPS高阻燃性，是防止其被引燃引發火災的重要途徑。

  通過在基材內物理添加含鹵阻燃劑是工業上EPS阻燃常用手段。然而，一些高效含鹵阻燃劑由于生物毒性和環境累積性已逐漸被世界多國法律法規所禁用，特別是EPS阻燃最常用的六溴環十二烷阻燃劑已被聯合國《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》在全球范圍內禁止使用。目前開始用其他含溴阻燃劑，如溴化SBS等以替代六溴環十二烷作為EPS的添加型阻燃劑，但這類含鹵阻燃劑的使用會使EPS燃燒時產煙量增大。由于目前尚未發現有哪一種添加型的無鹵阻燃劑對EPS的阻燃效率比六溴環十二烷阻燃劑等含鹵阻燃劑高，因此為了解決EPS的高效無鹵阻燃問題，試圖通過表面阻燃方法實現。現有研究主要通過含甲醛的有機樹脂粘結劑（酚醛樹脂、三聚氰胺-甲醛樹脂等）粘結無鹵阻燃劑在EPS珠粒表面構建阻燃涂層，但這類涂層不僅存在有毒害甲醛釋放問題，還會導致EPS密度增大、綜合性能下降。尤其是在高濕度環境下，由于酚醛類樹脂粘結涂層的影響，EPS的導熱系數會大幅升高，材料的保溫性能嚴重受損。

  針對上述難題，四川大學王玉忠院士團隊發展了一種綠色高效的無甲醛含磷聚硅氧烷涂層，其可同時作為EPS泡沫的粘結劑和阻燃劑使用，通過有機硅烷水解縮合與可膨脹石墨構建阻燃抑煙涂層（DG/EG）（圖1）。作為對比，使用未改性有機硅粘結劑復配可膨脹石墨（AD/EG）阻燃EPS。由于DG/EG阻燃涂層的高粘附性與低使用量，其對EPS泡孔結構影響小，阻燃EPS材料的導熱系數僅從純泡沫的0.030 W/（m·K）略微增加到0.033 W/（m·K），仍保持高保溫隔熱性能。更為重要的是，阻燃EPS材料還表現出優異的耐用性和耐候性，即在85%R.H.環境中，其隔熱性能在一個月內幾乎穩定不變，遠優于其他已報道的EPS阻燃涂層。這對于EPS泡沫的實際使用，特別是在潮濕地區的保溫隔熱應用是十分重要的。

  進一步，利用XPS光譜對比研究了EPS-AD/EG與EPS-DG/EG樣品燃燒后殘炭化學構成，如圖4 a-d所示。與EPS-44%AD/EG相比，EPS-44%DG/EG的殘炭中存在磷元素，表明形成了P/Si/C雜化炭的形成。在Si 2p光譜中，EPS-44%DG/EG中存在新的Si-O-Si鍵（102.0 eV），這不同于EPS-44%AD/EG中不穩定的C-O-Si鍵（103.8 eV），表明DOPO的存在促進了有機硅氧烷殘炭中不穩定的C-O-Si向更穩定的Si-O-Si的轉變，從而使得殘炭獲得更好的阻隔保護作用。圖4d中EPS-44%DG/EG殘炭的P 2p光譜由兩個特征峰擬合，分別屬于134.0 eV的C-O-P基團和134.8 eV的焦磷酸鹽。C-O-P峰的出現進一步證實了凝聚相中的磷也參與了雜化炭層的形成。此外，拉曼光譜表明DG促進了燃燒過程中石墨化殘炭的形成。結合SEM、XPS、拉曼光譜以及TG-FTIR（由于篇幅限制，未在此處列出）的結果，阻燃機制分析表明在阻燃EPS材料燃燒過程中DG/EG涂層促進了含P/Si石墨化炭層的形成，從而有效阻止了氧氣、熱、可燃化合物和煙霧顆粒的傳遞（圖5）。

圖5 含磷有機硅基涂層的阻燃抑煙機理示意圖

  本研究為EPS用環保耐久阻燃涂層的設計提供了一種新的策略，為解決EPS耐久阻燃抑煙與保持綜合性能相矛盾難題提供了新思路，所發展的阻燃抑煙技術有望在建筑保溫材料領域得到應用。該工作以“A green, durable and effective flame-retardant coating for expandable polystyrene foams”為題發表在Chemical Engineering Journal （2022, 440, 135807; doi.org/10.1016/j.cej.2022.135807）。文章第一作者是四川大學環保型高分子材料國家地方聯合工程實驗室碩士生趙煒，通訊作者為趙海波教授和王玉忠教授。本文報道的作者相關研究工作得到國家自然科學基金重大項目（51991351）的資助。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722013079?via%3Dihub