研究背景

• 传统硬质聚氨酯泡沫（PUFs）是应急修复的理想候选材料，但其存在力学强度低、固有易燃性的缺陷，且高膨胀比与高强度难以兼顾，实际应用易引发二次损害。

• 传统改性策略的不足：无机添加剂与PUF基体相容性差易团聚，阻燃涂层仅提升防火性、不改善力学性能且工艺复杂，现有阻燃PUFs仅能被动阻火，无主动灭火能力，无法满足密闭空间的防火需求。

近期，华南理工大学马春风教授团队成功研发出一种集轻质高强、主动灭火与被动阻燃于一体的硬质聚氨酯泡沫复合材料。该材料通过微流控技术将灭火剂封装于微胶囊内，并与含磷阻燃剂协同作用，在火灾发生时既能快速释放灭火剂主动抑制火源，又能形成致密炭层阻隔火焰蔓延，其压缩和弯曲强度分别提升153.2%和294.5%。相关研究以“In Situ Fabricating Rigid Polyurethane Foams With Lightweight yet High‐Strength, Passive Flame‐Retardant, and Active Fire‐Fighting Properties”为题目，发表于期刊《Advanced Functional Materials》。

本文要点：

1、该研究针对传统聚氨酯泡沫（PUFs）力学性能低、防火性差且难以兼顾高膨胀比与高强度的问题，开发了一种可原位制备、兼具轻质高强、被动阻燃和主动灭火性能的刚性聚氨酯泡沫复合材料 FM30/DPF7.5，为应急修复和建筑领域提供了新型材料方案。

2、以蓖麻油等生物基原料为基础，先合成含刚性结构磷系阻燃剂 DM 的被动阻燃型刚性 PUFs（DPFx），DM 的刚性苯环结构提升了泡沫的压缩和弯曲强度，且 7.5 wt% 含量的 DPF7.5 综合性能最优，获 UL-94 V-0 阻燃等级；同时利用微流控技术制备以聚乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯为壳、全氟己酮为芯的灭火微胶囊（FMs），其壳层刚性强、与基体相容性好，全氟己酮包封效率高，受热可快速释放灭火。

3、将 FMs 与 DPF7.5 复合得到 FM30/DPF7.5，在膨胀比约 4 时，其压缩强度较纯 PUFs 提升 153.2%、弯曲强度提升 294.5%，还能在密闭空间 8 秒内灭火，大空间中有效阻止火焰传播且保持 UL-94 V-0 等级。

4、该复合材料的性能提升源于 DM 和 FMs 的协同作用：受热至 135℃时 FMs 破裂释放全氟己酮，降低表面温度实现主动灭火；全氟己酮释放后，DM 分解产生磷氧自由基捕获氧自由基，还生成磷酸促进致密炭层形成，发挥被动阻燃作用，同时二者均提升了泡沫的力学结构稳定性。

5、此外，该材料具备优异的规模化制备和原位成型能力，30×20×4 cm³ 的大尺寸样品可承受 2 吨车辆反复碾压，原位填充仅需混凝土 1/4 的体积且 30 分钟即可承重，还保留了 PUFs 良好的隔热性，在应急修复、建筑防护等场景极具应用价值。研究还通过锥形量热仪、TG-IR 等手段阐明了其气-固双相协同防火机制，为高性能阻燃聚氨酯泡沫的设计提供了新策略。

FM30/DPF7.5 的防火性能由 FMs 的主动灭火与 DM 的被动阻燃协同实现，分气相与固相两大作用路径，具体如下：

1、气相主动灭火（低温阶段，≈135℃）：FMs 的壳层因全氟己酮汽化产生的压力破裂，释放的全氟己酮快速降低材料表面温度，同时稀释周围氧浓度，实现火灾初期的主动灭火。

2、气相 + 固相被动阻火（高温阶段）

• 气相：DM 受热分解产生PO・自由基，捕获燃烧过程中的氧自由基，中断燃烧链式反应，减少有毒气体与 CO₂释放；

• 固相：DM 高温分解生成焦磷酸、偏磷酸等物质，促进材料表面形成致密、高石墨化的炭层（ID/IG=3.2，低于 DPF0 的 8），有效阻隔氧、热的传递与挥发性有机物的释放，阻止火焰蔓延。

图1. (a) 微流控技术制备灭火微胶囊（FMs）的示意图；(b) 兼具被动阻燃与主动灭火性能的聚氨酯泡沫（FMy/DPFx）的制备流程

FMy/DPFx制备步骤

1、合成被动阻燃型硬质 PUFs（DPFx）：以蓖麻油（生物基多元醇）、1,4 - 丁二醇、甘油、多亚甲基多苯基多异氰酸酯（PAPI）为基础原料，掺入不同质量分数的刚性结构磷系阻燃剂（DM），x 为 DM 的质量分数（2.5/5/7.5/10wt%）。

2、制备灭火微胶囊（FMs）：采用微流控技术，以聚乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯为壳材料、全氟己酮为灭火芯材，通过三相界面流与紫外光聚合制备核壳结构 FMs，解决全氟己酮易挥发、难储存的问题。

3、原位制备复合泡沫（FMy/DPFx）：以性能最优的 DPF7.5 为基质，掺入不同质量分数的 FMs（y 为 FMs 质量分数），经快速混合、模具成型实现原位发泡，确定最优配方为FM30/DPF7.5（30wt%FMs+7.5wt%DM）。

图2. (a) DPF0与DPF7.5的SEM图像；(b) DPFx系列材料的实物照片；(c) 密度、(d) 抗压强度、(e) 抗弯强度、(f) 热重（TG）曲线、(g) 极限氧指数（LOI）；(h) DPFx系列材料垂直燃烧试验的实物照片

图3. (a) FMs的傅里叶变换红外光谱（FTIR）图、(b) 热重（TG）曲线、(c) 载荷-位移曲线、(d) 粒径分布、(e) SEM图像；(f) FM30/DPF7.5的SEM图像；(g) 抗压应力-应变曲线、(h) 抗压强度、(i) 抗弯强度（测试样品为DPF0、DPF7.5、FM30/DPF7.5）；(j- l) DPF0、DPF7.5、FM30/DPF7.5的灭火演示实物照片

图4. (a-c) 分别由DPF0、DPF7.5、FM30/DPF7.5防护的建筑模型在丁烷火焰下灼烧90s的实物照片，及模型侧面随时间变化的红外热成像图；(d) 大尺寸FM30/DPF7.5承载400kg重物的实物照片；(e) 大尺寸FM30/DPF7.5经丁烷火焰灼烧60 s的点燃过程实物照片（左）、对应红外热成像图（中），及灼烧60s后的实物照片（右）；(f) FM30/DPF7.5的原位成型效果演示实物照片；(g) 展示FM30/DPF7.5质量与力学强度的实物照片

图5. (a) 热释放速率（HRR）曲线、(b) 总热释放量（THR）曲线、(c) 火灾参数（测试样品为DPF0、DPF7.5、FM30/DPF7.5）；(d) FM30/DPF7.5经锥形量热仪测试后，其残炭顶面的实物照片与SEM图像；(e) 该残炭顶面的拉曼光谱图；(f) DPF0、DPF7.5、FM30/DPF7.5残炭的元素组成（碳、氧、氮、磷）；(g) FM30/DPF7.5残炭的P 2p光电子能谱图；(h) DPF0、DPF7.5、FM30/DPF7.5的热重（TG）曲线；(i) DPF0、(j) FM30/DPF7.5在氮气氛围下分解产物的三维热重-红外（TG–IR）光谱图；(k) FM30/DPF7.5在氮气氛围下不同时间分解产物的傅里叶变换红外光谱（FTIR）图；(l) 聚氨酯泡沫中磷系阻燃剂DM与灭火微胶囊FMs实现高效防火的作用机制示意图

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.74651

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