随着城市化和工业化的快速发展，火灾安全已成为公共安全领域的重要议题。聚合物材料因其广泛的应用性在火灾安全中扮演着重要角色，但其易燃性和火灾中的烟雾释放对人员疏散和救援构成了巨大威胁。因此，开发具有高阻燃性和低烟雾释放的聚合物复合材料具有重要意义。对此，南京工业大学材料学院研究团队和美国德州理工大学研究团队合作通过对聚合物双连续相表面与本体组分的调控，揭示了功能表面与体积氯含量的协同作用机制。

图1 体积氯含量与功能表面作用对比。

  聚合物材料因其质轻、易加工和成本低廉等优点，在日常生活和工业生产中得到了广泛应用。然而，这些材料在火灾中易燃烧且烟雾释放量大，严重限制了其在火灾安全要求高的场合的应用。传统的阻燃方法主要通过添加阻燃剂来实现，但高浓度的阻燃剂往往会导致材料力学性能下降和回收困难。因此，探索新的阻燃策略，实现聚合物材料火灾安全性能与力学性能的平衡，成为当前研究的热点。

  研究团队以聚氯乙烯（PVC）、高密度聚乙烯(HDPE)和氯化聚乙烯(CPE)为主要组分，通过两步熔融共混法制备了双连续相聚合物复合材料。通过调控相容剂CPE的选择性分布，实现了对复合材料表面与本体组成的调控。随后，通过热重分析（TGA）、极限氧指数（LOI）、烟密度和锥形量热仪等表征方法，对复合材料的热稳定性、阻燃性和烟雾释放特性进行了系统评估。此外，还利用火灾动态模拟和人员疏散行为进行耦合分析，对复合材料在火灾场景下的安全性能进行了综合评价。

表面与本体组成对火灾安全性能的影响：功能表面≠“万能护盾”，本体氯含量才是决定因素

图2 不同复合体系的（a）热释放速率，（b）总热释放，（c）产烟速率，（d）总烟产量。

  研究结果表明，双连续相聚合物复合材料的表面与本体组成对火灾安全性能具有显著影响。表面膨胀石墨（EG）分布对实际燃烧过程中的阻燃效果影响有限，本体氯含量在决定燃烧行为和烟雾释放方面起主导作用。随着本体氯含量的增加，复合材料的LOI显著提高，烟雾释放量显著减少，同时热释放量也呈现下降趋势。这些发现揭示了本体组成在火灾安全性能中的决定性作用。

火灾动态模拟与人员疏散分析：烟雾＞热量，材料发烟是火灾逃生的最大威胁

图3 室内FDS与人员疏散的耦合模拟：（a）P/H、（b）N-CPE、（c）H-CPE和（d）Cl CPE的模拟模型剖面图、烟雾、温度和烟尘可见度切片图；（e-f）耦合模拟期间（e）P/H、（f）N-CPE、（g）H-CPE和（H）Cl-CPE模型中室内人员数量变化。

  火灾动态模拟（FDS）结果显示，与PVC/HDPE聚合物基体相比，具有功能填料选择性分布的双连续相结构在火灾场景下表现出更低的热释放率和烟雾密度。进一步的人员疏散模拟分析表明，烟密度是影响人员疏散效率的关键因素。在相同热释放条件下，烟雾密度较低的复合材料能够显著缩短人员疏散时间，提高火灾场景下的安全性。

表面与本体协同作用的火灾安全策略：“体表兼顾”是材料阻燃抑烟结构设计的关键

图4不同体系中表面EG含量、表面氯含量和体积氯含量对T_d,5、模拟中TSP/SD/能见度、LOI、热释放和FDS耦合人员疏散的影响。

  基于上述发现，提出了一种表面与本体协同作用的火灾安全策略。通过调控复合材料的表面与本体组成，可以在不牺牲材料力学性能的前提下，实现火灾安全性能的最大化。例如，在保持本体高氯含量的同时，通过优化表面组成和相结构，可以进一步提高复合材料的阻燃性和烟雾抑制性能。

  本研究从结构设计、性能评估与安全模拟三位一体的方式系统解构了聚合物复合材料中“功能表面”与“体相氯含量”在火灾安全中的真实作用，实现了聚合物材料火灾安全性能的显著提升。研究结果表明，本体氯含量在决定燃烧行为和烟雾释放方面起主导作用，而表面组成对火灾安全性能的影响相对有限。基于这些发现，提出了一种表面与本体协同作用的火灾安全策略，为开发新一代阻燃聚合物材料提供了有力支持。未来，研究团队将继续深化对该材料的研究，探索其在更多领域的应用潜力，推动火灾安全技术的发展和进步。

  该成果发表于《Journal of Materials Chemistry A》,并入选2025年热点文章。第一作者为南京工业大学材料学院的博士生张晗，美国德州理工大学张振博士为共同通讯作者和南京工业大学陈婷婷博士为共同作者。

  原文链接：https://doi.org/10.1039/D5TA02009