• 作者简介

潘也唐，北京理工大学长聘副教授 (特别研究员)、博士生导师。2018年于马德里理工大学取得博士学位后入职北京理工大学材料学院。依托国家阻燃材料工程技术研究中心，主要从事阻燃聚合物复合材料的研究。相关成果发表在Advanced Materials、Advanced Functional Materials等SCI期刊合计120余篇，其中以第一/通讯作者发表论文90余篇，参编英文专著5部，授权发明专利5件，主持省部级以上科研项目10余项，并担任多个期刊编委/青年编委。

林亿超，中国矿业大学煤矿灾害防控全国重点实验室特聘副研究员、博士生导师。2017年博士毕业于中国科学院大学，2017-2020年先后在新加坡南洋理工大学、香港理工大学从事博士后研究工作，2023-2024年中国安全生产科学研究院交通安全研究所访问学者。先后主持/参与国家级项目3项，企业委托横向课题项目10余项，累计科研经费达500万以上。在Macromolecules、Biomacromolecules、Chemical Engineering Journal、Polymer等国际著名期刊上发表论文40余篇，其中第一作者或通讯作者论文28篇，合作出版专著3部，申请发明专利40项，授权6项；第一作者或通讯作者发表教改论文9篇。中国职业安全健康协会青年工作委员会专家，Polish Journal of Chemical Technology期刊编委，2024年“江苏省科技副总”，2021年“江苏省双创博士”。

• 文章导读

金属有机框架材料 (Metal-Organic Frameworks, MOFs) 是一种由无机金属中心 (金属离子或金属簇) 与有机桥联配体通过配位键自组装形成的晶态多孔材料，兼具结构可精准设计、比表面积高以及物理化学功能科调控等突出特性，因而在多个领域备受瞩目。近十年来，MOFs作为一种新型高效阻燃剂在高分子材料领域展现出显著的应用潜力和独特优势。目前，相关研究多聚焦于MOFs在环氧树脂等热固性高分子材料中的阻燃性能提升与机理探索，并已取得一系列丰硕成果。相比之下，尽管热塑性聚合物 (如聚烯烃、热塑性聚氨酯等) 凭借其优异的机械性能、良好的可回收性以及便捷的加工成型工艺，在电子电器、汽车工业、建筑材料及高端包装等领域应用极为广泛，但针对其专用阻燃MOFs设计与应用研究仍较为匮乏，其背后的关键科学问题与技术瓶颈亟待深入探索与拓展。基于此，北京理工大学潘也唐、中国矿业大学林亿超等人在 Materials 期刊发表的文章Emerging Roles of Metal–Organic Frameworks as Flame Retardants: Recent Advances and Future Perspectives in Thermoplastic Polymers，综述了不同类型 MOFs 的阻燃作用机制及其在五种热塑性高分子基体中的应用，重点阐述其在热塑性聚合物体系中的最新研究进展，并进一步指出该领域现存的挑战与未来发展方向。

• 研究过程与结果

1. MOFs在高分子聚合物中的阻燃机理

燃烧的发生与蔓延离不开氧气、燃料与热源构成的“火三角”，MOFs的阻燃作用正是通过破坏这一体系实现，其阻燃机制主要包含三个方面，且在实际应用中多为协同作用：物理屏障效应是MOFs最直接的阻燃途径。在高温燃烧环境下，MOFs促使聚合物表面形成致密、连续且机械强度高的炭层。同时，MOFs自身受热分解生成的金属氧化物进一步增强炭层的防护性能。这层致密炭层能够有效隔绝热量与氧气的传递，减缓聚合物热解速率；气相稀释效应是MOFs阻燃的重要辅助机制。MOFs的有机配体在热解过程中会释放出二氧化碳、氨气、氮气等惰性或稀释性气体。这些气体在燃烧区域形成局部稀释气氛，降低可燃气体与氧气的有效浓度，进而抑制火焰的传播；吸热降温效应是MOFs延缓燃烧的关键手段。MOFs在受热时会发生有机配体热降解、金属离子与配体间配位键断裂等反应，这些过程均会吸收大量热量。此外，部分含结晶水的MOFs还会发生结晶水的吸热脱附。这种吸热作用可在燃烧初期降低聚合物基体的温度，延缓聚合物热降解与可燃气体释放的时间，从而减慢火焰蔓延速度。

2. MOFs在六类典型热塑性聚合物中的阻燃应用

聚丙烯 (PP) 是全球产量最大的热塑性聚烯烃之一，燃烧时易熔融滴落并释放有毒气体。MOFs在PP阻燃体系中多以协同添加剂的形式发挥作用。沸石咪唑酯骨架材料 (ZIFs) 作为MOFs的重要分支，表现尤为突出。此外，铝基MIL-53系列MOFs (NH2-MIL-53 (Al)) 也表现出不错的阻燃成效。热塑性聚氨酯 (TPU) 兼具橡胶的弹性与塑料的强度，但其易燃特性同样亟待改善。锆基金属有机框架 (UiO-66) 是TPU阻燃领域的研究热点。MOFs与二维材料MXene的协同体系也表现亮眼，如镍基金属有机框架 (Ni-MOF) 功能化的MXene复合材料 (Ni-MOF@Ti3C2Tx)；聚乳酸 (PLA) 是一种可生物降解的绿色聚合物，但其LOI仅为18%-20%，燃烧速率快。ZIFs基复合材料在PLA阻燃中应用广泛，如纳米ZIF-8与石墨烯氧化物 (GO)、间苯二酚双磷酸苯酯 (RDP) 复配的体系。钴基金属有机框架与含磷阻燃剂的协同体系，在阻燃性能与机械性能均表现优秀；聚碳酸酯 (PC) 燃烧时存在熔融滴落问题。锆基金属有机框架Zr-BDC是PC阻燃的有效添加剂。此外，铝基MIL-53功能化的黑磷复合材料 (BP@MIL-53) 也展现出高效的阻燃效果；聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 具备优良的耐油、耐酸碱性能，广泛应用于电子电器、包装材料等领域，但易燃性限制了其高端应用。过渡金属基MOFs在PET阻燃中研究较多，铁基、铝基与铜基MOFs均有应用，其中Fe基MOFs的阻燃性能提升效果最为突出。聚苯乙烯 (PS) 具有良好的透光性与绝缘性，但热稳定性差，燃烧时热释放速率高。过渡金属基MOFs在PS阻燃中应用较多，钴基与锆基MOFs等均能有效提升PS的阻燃与抑烟性能。

3. 阻燃MOFs的未来研究方向与潜在突破点

MOFs在热塑性聚合物阻燃领域的研究已取得阶段性成果，但目前仍处于发展初期，面临着生产成本较高、分散性差、界面相容性不足等挑战。在回顾基于MOFs的热塑性聚合物阻燃体系进展时，研究人员探索了大量MOFs材料。然而，从实际应用角度来看，MOFs的配体价格通常较高且MOFs基阻燃剂的制备过程较长，某些反应条件需要高温高压等，这些成本问题限制了MOFs阻燃剂的商业化。其次，尽管新研究的各种MOFs的有机配体在复合阻燃体系兼容性方面有所改善，复合材料中MOFs的均匀分散仍是个挑战。通过合成核壳结构有利于解决MOFs的分散问题。此外，单一阻燃剂通常需要更高的掺杂水平，这往往会影响材料的其他性能。因此亟需开发新的多组分阻燃剂，并探索多组分协同阻燃剂机制，以提高阻燃剂效率。总之，随着2025年诺贝尔化学奖对MOFs领域的认可，这一材料的研究热度将持续攀升。未来，更多新型功能配体与金属中心将被开发应用，MOFs的结构多样性与功能丰富性将进一步拓展。在阻燃领域，MOFs基阻燃材料将朝着高效、环保、低成本的方向发展，为热塑性聚合物的安全应用提供有力支撑，同时也将在推动材料科学与可持续发展目标的实现中发挥重要作用。

• 研究总结

本文介绍了MOFs作为阻燃添加剂在热塑性聚合物复合材料中的研究进展，系统阐述了其在聚丙烯 (PP)、热塑性聚氨酯 (TPU)、聚乳酸 (PLA)、聚碳酸酯 (PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚苯乙烯 (PS) 六种常用聚合物中的应用。金属有机框架材料及其衍生物作为新型阻燃剂的研究尚处于起步阶段，尤其在热塑性基体中的应用研究方兴未艾，该领域仍存在巨大的研发空间。2025年诺贝尔化学奖授予金属有机框架材料相关领域的杰出科学家，这一事件无疑将让该类材料受到更广泛的关注，推动相关研究迎来爆发式增长。可以预见，未来将有更多新型功能配体被设计与合成，更多金属中心被开发用于构建多样化的金属有机框架结构。可以预见，该领域的持续深入研究，不仅将推动新型阻燃材料的发展，还将为实现可持续发展目标提供重要支撑。因此，金属有机框架材料的研究前景广阔，其内在的科学价值与应用潜力必将激励更多研究者在该领域不断探索、勇攀高峰。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/1996-1944/19/1/150

• Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2024 Impact Factor：3.2(JCR Q2*)

2024 CiteScore：6.4(Scopus Q1*）

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.6 Days

*JCR Q2 at “PHYSICS, APPLIED” and “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING” Categories

*Scopus Q1  at “Condensed Matter Physics” Category

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials