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

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。