武汉纺织大学Polym. Degrad. Stabil.|受贻贝启发的铜-儿茶酚配位网络:可实现聚乳酸复合材料阻燃、电磁屏蔽与抗菌性能一体化

聚乳酸（PLA）作为最具前景的生物基可降解聚酯之一，在电子电器、交通运输及医疗健康等高端领域展现出替代传统石油基塑料的巨大潜力。然而，PLA本征易燃、燃烧时热释放剧烈且伴随严重熔滴行为，同时缺乏电磁干扰（EMI）屏蔽能力与抗菌功能，这“三重短板”严重制约其在下一代消费电子、航空航天及医疗器械等安全敏感场景下的应用。面对日益严苛的防火安全法规、电磁污染防控需求及公共卫生安全要求，开发能够同时赋予PLA高效阻燃、抗熔滴、电磁屏蔽与广谱抗菌性能的一体化材料，已成为可持续高分子科学领域亟待突破的核心挑战。现有策略多采用多种添加剂的简单物理共混，但常因界面相容性差、功能相互制约而导致力学性能劣化与功能协同不足。近年来，仿生金属-酚配位网络因其催化成炭、自由基淬灭及热屏障增强等多重防御机制，为阻燃材料设计提供了新思路；而可膨胀石墨（EG）凭借其高导电性与层状结构，在EMI屏蔽领域优势显著。然而，如何在单一PLA体系中实现两者的协同集成，并同步赋予材料抗菌功能，仍是尚未解决的难题。

针对上述挑战，武汉纺织大学的研究团队在《Polymer Degradation and Stability》发表题为“Mussel-inspired copper-catechol coordination network enabled fire-retardant polylactide composites with excellent electromagnetic shielding and antibacterial properties”的研究论文，提出了一种仿生铜-儿茶酚席夫碱配合物（Cu@CSP）与可膨胀石墨（EG）协同构筑多功能PLA复合材料的策略。研究者利用壳聚糖的丰富氨基与含儿茶酚的芳香醛形成席夫碱键，随后与铜离子配位，合成了具有热稳定与催化活性的Cu@CSP配合物；将其与EG共混引入PLA基体后，该体系在固相中于低填充量下构建了高效导电网络，赋予复合材料优异的EMI屏蔽效能（>20 dB）。在燃烧过程中，Cu@CSP催化成炭与石墨化，EG则作为膨胀骨架，两者协同形成体积庞大、隔热致密的膨胀炭层，彻底消除熔滴，使复合材料达到UL-94 V-0级，极限氧指数达31.6%，峰值热释放率、总热释放量及CO₂生成量分别降低69.6%、40.3%和76.6%。此外，壳聚糖、铜离子与席夫碱结构的协同作用使材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均超过99%。该工作通过仿生配位化学与导电碳网络的协同设计，为开发兼具防火安全、电磁兼容与抗菌功能的可持续高分子材料提供了创新范式。

图1、贻贝仿生 Cu@CSP 的制备示意图

图2、Cu@CSP 的结构表征。(a) FTIR 光谱，(b) XRD 图谱，(c) XPS 光谱，(d) O 1s 光谱，(e) Cu 2p 光谱，(f) TG 曲线，(g) DTG 曲线，(h) SEM 图像，(i) EDS 映射，(jl) TEM 图像

图3、PLA 复合材料的热稳定性和结晶行为。(a)氮气气氛下的 TG 曲线和(b)DTG 曲线；(c)DSC 曲线；PLA 复合材料的流变行为。(d)稳态剪切粘度( η* )；(e)储能模量( G′ )随角频率的变化；(f)损耗模量( G″ )随频率的变化

图4、可燃性测试和放热。(a) UL-94 测试的数字截图。(b) 纯 PLA 和 PLA- Cu@CSP +EG 的数字图像。(c) 放热速率 (HRR) 曲线。(d) 通过微尺度燃烧量热法 (MCC) 测得的纯 PLA 和 PLA- Cu@CSP +EG 的总放热 (THR) 值

图5、采用锥形量热仪 (CCT) 测试评估 PLA 共混物的阻燃性能。(ac) CCT 测试后的数字图像。(d) 热释放速率 (HRR) 曲线。(e) 总热释放 (THR) 曲线。(f) CO2生成曲线。(g) 残余曲线。(h) FIGRA 曲线。(i) FIGRA、FGI 和 FPI 值

图6、Cu@CSP +EG 所表现出的可能阻燃机理

本研究合成了一种受贻贝启发的铜-儿茶酚配位网络（ Cu@CSP ），并将其与可膨胀石墨（EG）协同增强，构建了一种多功能聚乳酸（PLA）复合材料。该混合填料体系实现了双相协同作用，显著改善了 PLA 的阻燃性能。在凝聚相中， Cu@CSP 催化促进了脱氢、交联和石墨化反应；而 EG 则提供了物理模板和增强支架，最终形成致密、膨胀且高度石墨化的炭层，从而赋予复合材料优异的阻燃性能，包括 V-0 级阻燃等级、31.6%的极限氧指数（LOI）、69.6%的平均最大释放速率（pHRR）降低、40.3%的总热释放量（THR）降低以及 77.2%的 CO₂排放抑制。该复合材料还展现出卓越的隔热性能，在火焰照射下，其背面温度比纯 PLA 高出 500℃以上。除了防火性能外，该材料还展现出全面的多功能性。互连的 EG 网络通过反射-吸收相结合的机制，实现了超过 20 dB 的高效电磁干扰屏蔽。同时， Cu@CSP 复合物具有强效的广谱抗菌活性，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制率均超过 99%，这归功于壳聚糖、铜离子和席夫碱键的协同作用。这项工作超越了传统的添加剂共混方法，展示了一种仿生纳米结构方法，该方法在单一可持续复合材料中同时实现了阻燃、电磁衰减和抗菌功能。 所提出的设计范式为下一代高性能聚合物的研发提供了一条多功能途径，适用于在先进技术和环境环境中对安全性、卫生性和电磁兼容性有较高要求的应用。这种多功能集成满足了防火安全、电磁兼容性和微生物控制的双重需求，使该材料成为生物医学设备外壳、卫生电子封装以及在敏感环境下运行的航空航天内部组件等先进应用的理想候选材料。

注：侵权请联系

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2026.112232

或点击下方阅读原文跳转