隨著城市化和工業化的快速發展，火災安全已成為公共安全領域的重要議題。聚合物材料因其廣泛的應用性在火災安全中扮演著重要角色，但其易燃性和火災中的煙霧釋放對人員疏散和救援構成了巨大威脅。因此，開發具有高阻燃性和低煙霧釋放的聚合物復合材料具有重要意義。對此，南京工業大學材料學院研究團隊和美國德州理工大學研究團隊合作通過對聚合物雙連續相表面與本體組分的調控，揭示了功能表面與體積氯含量的協同作用機制。
圖1 體積氯含量與功能表面作用對比。
聚合物材料因其質輕、易加工和成本低廉等優點，在日常生活和工業生產中得到了廣泛應用。然而，這些材料在火災中易燃燒且煙霧釋放量大，嚴重限制了其在火災安全要求高的場合的應用。傳統的阻燃方法主要通過添加阻燃劑來實現，但高濃度的阻燃劑往往會導致材料力學性能下降和回收困難。因此，探索新的阻燃策略，實現聚合物材料火災安全性能與力學性能的平衡，成為當前研究的熱點。
研究團隊以聚氯乙烯（PVC）、高密度聚乙烯(HDPE)和氯化聚乙烯(CPE)為主要組分，通過兩步熔融共混法制備了雙連續相聚合物復合材料。通過調控相容劑CPE的選擇性分布，實現了對復合材料表面與本體組成的調控。隨后，通過熱重分析（TGA）、極限氧指數（LOI）、煙密度和錐形量熱儀等表征方法，對復合材料的熱穩定性、阻燃性和煙霧釋放特性進行了系統評估。此外，還利用火災動態模擬和人員疏散行為進行耦合分析，對復合材料在火災場景下的安全性能進行了綜合評價。
表面與本體組成對火災安全性能的影響：功能表面≠“萬能護盾”，本體氯含量才是決定因素
圖2 不同復合體系的（a）熱釋放速率，（b）總熱釋放，（c）產煙速率，（d）總煙產量。
研究結果表明，雙連續相聚合物復合材料的表面與本體組成對火災安全性能具有顯著影響。表面膨脹石墨（EG）分布對實際燃燒過程中的阻燃效果影響有限，本體氯含量在決定燃燒行為和煙霧釋放方面起主導作用。隨著本體氯含量的增加，復合材料的LOI顯著提高，煙霧釋放量顯著減少，同時熱釋放量也呈現下降趨勢。這些發現揭示了本體組成在火災安全性能中的決定性作用。
火災動態模擬與人員疏散分析：煙霧＞熱量，材料發煙是火災逃生的最大威脅
圖3 室內FDS與人員疏散的耦合模擬：（a）P/H、（b）N-CPE、（c）H-CPE和（d）Cl CPE的模擬模型剖面圖、煙霧、溫度和煙塵可見度切片圖；（e-f）耦合模擬期間（e）P/H、（f）N-CPE、（g）H-CPE和（H）Cl-CPE模型中室內人員數量變化。
火災動態模擬（FDS）結果顯示，與PVC/HDPE聚合物基體相比，具有功能填料選擇性分布的雙連續相結構在火災場景下表現出更低的熱釋放率和煙霧密度。進一步的人員疏散模擬分析表明，煙密度是影響人員疏散效率的關鍵因素。在相同熱釋放條件下，煙霧密度較低的復合材料能夠顯著縮短人員疏散時間，提高火災場景下的安全性。
表面與本體協同作用的火災安全策略：“體表兼顧”是材料阻燃抑煙結構設計的關鍵
圖4不同體系中表面EG含量、表面氯含量和體積氯含量對Td,5、模擬中TSP/SD/能見度、LOI、熱釋放和FDS耦合人員疏散的影響。
基于上述發現，提出了一種表面與本體協同作用的火災安全策略。通過調控復合材料的表面與本體組成，可以在不犧牲材料力學性能的前提下，實現火災安全性能的最大化。例如，在保持本體高氯含量的同時，通過優化表面組成和相結構，可以進一步提高復合材料的阻燃性和煙霧抑制性能。
本研究從結構設計、性能評估與安全模擬三位一體的方式系統解構了聚合物復合材料中“功能表面”與“體相氯含量”在火災安全中的真實作用，實現了聚合物材料火災安全性能的顯著提升。研究結果表明，本體氯含量在決定燃燒行為和煙霧釋放方面起主導作用，而表面組成對火災安全性能的影響相對有限。基于這些發現，提出了一種表面與本體協同作用的火災安全策略，為開發新一代阻燃聚合物材料提供了有力支持。未來，研究團隊將繼續深化對該材料的研究，探索其在更多領域的應用潛力，推動火災安全技術的發展和進步。
該成果發表于《Journal of Materials Chemistry A》,并入選2025年熱點文章。第一作者為南京工業大學材料學院的博士生張晗，美國德州理工大學張振博士為共同通訊作者和南京工業大學陳婷婷博士為共同作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D5TA02009
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