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四川大学王玉忠院士团队AM:单一双胍单元让聚合物同时阻燃、抗紫外、抗菌

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聚合物材料在现代生活中不可或缺,但其应用需求正从基本使用转向多重安全防护。聚酯、聚烯烃和环氧树脂等因有机 C─C 和 C─H 骨架而高度易燃,同时聚合物链缺乏屏蔽紫外和抵抗细菌的基团,难以抵御有害紫外和微生物。在航空航天、防护服装、生物医学工程和轨道交通等高端应用中,材料不仅需要阻燃,还需兼具抗紫外和抗菌性能。传统策略依赖多种功能添加剂叠加,但相容性差、界面结合弱、加工窗口不匹配,常导致力学性能、加工性、热稳定性和功能耐久性下降;更严重的是,许多添加剂易迁移,带来持久性、生物累积性和毒性风险。因此,通过化学键合单一结构单元同时赋予阻燃、抗紫外和抗菌三重防护,成为关键挑战。

四川大学王玉忠院士、陈琳研究员团队提出一种超高效策略:通过单一双胍单元实现固有阻燃、抗紫外和抗菌聚合物材料的一体化集成。其核心是双胍单元的三重保护机制:高温成炭实现阻燃,n→π 跃迁吸收实现抗紫外,破坏带负电细菌表面实现抗菌。所得材料达到 UL-94 V-0 阻燃等级,具有优异自熄性,紫外屏蔽率≥99.3%,抗菌率≥99.0%。双胍单元化学键合于聚合物主链,避免了添加剂迁移导致的健康风险和性能退化,并保持突出的耐热性、热稳定性和易加工性。相关论文以“All-In-One Integration of Inherently Flame-Retardant, UV-Resistant, and Antibacterial Polymer by a Biguanide Unit”为题,发表在Advanced Materials上。


研究通过一锅熔融共聚,将双胍单体 BG 与 BHET 单体共聚,得到主链含双胍单元的 PBHET-BGn 聚合物(图1a)。BG 单元在 PBHET-BG0、PBHET-BG2.5、PBHET-BG5、PBHET-BG7.5 和 PBHET-BG10 中的摩尔含量分别为 0、2.44、4.76、6.98 和 9.09 mol%。1H NMR、FT-IR 和 XPS 表征证实了双胍单元成功引入聚合物链(图1b–d),实测摩尔含量与理论值一致(图1e)。热重分析显示,随 BG 含量增加,700°C 残炭率提高,最大热分解速率降低,说明双胍单元显著增强高温成炭能力(图1f)。同时,材料保持良好热稳定性和力学性能,满足后续加工与应用要求。


图1含双胍聚合物材料的设计与表征。(a) 含双胍 PBHET-BGn 聚合物制备示意图;(b) PBHET-BGn 在氘代 TFA 中的 1H NMR;(c) PBHET-BGn 的 FT-IR 光谱;(d) PBHET-BGn 的 XPS 扫描;(e) PBHET-BGn 中 BG 单元的理论摩尔含量与实测摩尔含量;(f) 氮气中 PBHET-BGn 的热重曲线与 R700。

在阻燃方面,双胍单元在燃烧高温下发生化学自交联,将线性链转变为三维交联网络,提高熔体粘度、抑制熔融滴落,并促进致密含氮芳香炭层形成(图2a)。流变测试表明,含双胍聚合物在高温下复数粘度先降后升,且交联起始温度高于聚合/加工温度,说明其在加工过程中稳定、在燃烧时交联(图2b、图2c)。阻燃评价中,PBHET-BG10 的 LOI 达到 29.0%,并通过 UL-94 V-0 评级;燃烧时迅速自熄、几乎无滴落,而未含双胍单元的 PBHET-BG0 燃烧剧烈并引燃下方棉花(图2d–f)。这表明双胍单元赋予材料固有阻燃与抗滴落性能。


图2固有阻燃与抗滴落性能。(a) 双胍单元高温自交联及固相进一步成炭示意图;(b) PBHET-BGn 聚合物在不同温度下的复数粘度;(c) 在恒定 300°C 下 PBHET-BGn 聚合物复数粘度随时间变化;(d) PBHET-BGn 的 LOI 与 UL-94 阻燃结果;(e, f) PBHET-BG0 和 PBHET-BG10 在 UL-94 垂直燃烧测试中的燃烧过程。

在抗紫外方面,双胍单元通过 n→π* 跃迁吸收紫外光并转化为热能(图3a)。PBHET-BG0 对 UVA 屏蔽率仅 30.6%,而PBHET-BG10 对 UVA 屏蔽率提高到 99.3%,在 400 nm 处透射率显著降低(图3b、图3c)。红外热成像显示,PBHET-BG10 在紫外照射下温度变化达 6.5°C,高于 PBHET-BG0 的 1.9°C,说明其可高效吸收紫外并转热(图3d)。户外测试中,PBHET-BG10 薄膜几乎完全阻挡 UVA,屏蔽率达 99.3%–99.8%(图3e)。


图3优异的抗紫外性能。(a) PBHET-BGn 聚合物中双胍单元抗紫外机理示意图,以及 BHET 单体和 BG 单体的优化分子几何结构;(b) PBHET-BGn 薄膜(厚度:0.05 mm)在 200–800 nm 波长范围内的透射率;(c) PBHET-BGn 薄膜(厚度:0.05 mm)对 UVA 波段(315–400 nm)的屏蔽率;(d) 红外热成像显示 PBHET-BGn 薄膜(厚度:0.1 mm)在 5 s 紫外照射(260–380 nm,10.0 mW cm−2)前后的表面温度;(e) PBHET-BGn 薄膜(厚度:0.1 mm)的户外紫外线防护性能。

在抗菌方面,双胍单元带正电,可通过静电作用吸附于带负电的细菌表面,并插入磷脂双层,破坏细菌表面结构(图4a)。PBHET-BGn 可熔融纺成纤维(图4b)。PBHET-BG0 纤维无抗菌性,而PBHET-BG10 纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达 99.3% 和 99.0%(图4c、图4d)。SEM 显示,与 PBHET-BG0 共培养的细菌保持完整光滑(图4e),而与 PBHET-BG10 共培养后细菌细胞膜严重损伤、内容物泄漏、菌体塌陷(图4f),证明其通过破坏细菌表面实现高效抗菌。


图4优异的固有抗菌性能。(a) PBHET-BGn 聚合物中双胍单元抗菌机理示意图;(b) PBHET-BGn 纤维照片;(c) PBHET-BG0 纤维(不含双胍单元)对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性照片;(d) 含双胍 PBHET-BG10 纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性照片;(e) 与 PBHET-BG0 纤维共培养后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的 SEM 图像;(f) 与 PBHET-BG10 纤维共培养后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的 SEM 图像。

从整体设计看,单一双胍单元将阻燃、抗紫外和抗菌三种防护功能集成到同一聚合物链上(图5)。含 9.09 mol% 双胍单元的 PBHET-BG10 可同时通过 UL-94 V-0 评级、LOI 29.0%、UVA 屏蔽 99.3%、对大肠杆菌抗菌率 99.3%、对金黄色葡萄球菌抗菌率 99.0%,并保持 T5%≥380°C 和良好熔融加工性。该材料可通过注塑、热压和熔融纺丝制成塑料件、薄膜或纤维,在防护服装、医疗器械、户外运动、汽车交通和建筑等领域具有应用前景。该工作通过编辑大分子链单元,为下一代先进聚合物材料的多重安全防护集成提供了高效设计思路。


图5PBHET-BGn 聚合物材料集成阻燃、抗紫外和抗菌性能及其多场景应用示意图。

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