丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）是一种广泛使用的工程热塑性塑料，应用于汽车内饰、电子外壳和3D打印部件[[1], [2], [3]]。虽然这种广泛的工业用途主要归功于其可靠的尺寸稳定性、化学耐受性和结构韧性[4,5]，但ABS主链的脂肪族-芳香族混合结构使其极易着火[6]。在热作用下，ABS会迅速燃烧，并伴随明显的熔融滴落现象以及大量有毒烟雾和芳香族挥发物的释放，对人类生存和环境安全构成重大风险[7]。
为了减轻这些火灾隐患，添加无卤阻燃剂（IFRs）是一种传统的改性策略[8,9]。然而，传统的IFR系统通常需要较高的添加剂用量才能获得满意的消防安全等级[10,11]。这种大量的添加物会破坏聚合物基体的连续相，导致众所周知的权衡效应：阻燃性的提高是以ABS树脂的机械强度和加工流变性的直接牺牲为代价的[3]。因此，设计能够在相对较低的填料用量下同时抑制燃烧并保持基体结构完整性的高效多功能纳米填料，仍然是先进聚合物工程的主要目标。
为了解决这一限制，人们广泛研究了碳纳米管（CNTs）。CNTs具有高热稳定性和较大的长径比，在聚合物熔体中自然形成缠结的纤维网络[12,13]，在燃烧过程中可以迁移到表面，形成宏观的碳质屏障，提供基本的物理屏障，防止热量反馈和氧气渗透[[14], [15], [16]]。从根本上说，形成堵塞的连续纳米管网络是这种宏观物理屏蔽效应的理论前提[17]。然而，由于原始CNTs本身缺乏活性阻燃单元（如磷、氮或过渡金属），其阻燃效率受到限制，通常需要高质量加载才能达到满意的消防安全[18]。此外，强烈的范德华力和π-π堆叠相互作用导致这些高负载的CNTs发生宏观聚集[19]。这些聚集的束状物反而成为局部应力集中器，在结构变形过程中引发早期微裂纹，从而降低复合材料的机械韧性[20]。为了解决这一限制，最近的研究集中在将外源性阻燃单元引入纳米管表面。例如，用磷-氮膨胀体系功能化CNT侧壁[21]或用过渡金属基物种装饰它们[22]，已被证明可以通过促进催化炭化、抑制热量释放和增强残余炭层来改善界面相容性和消防安全。尽管取得了这些进展，但在低质量负载下构建避免机械权衡的多相协同结构仍然具有挑战性，需要引入结构互补的组分。
金属有机框架（MOFs）是一类由过渡金属节点和有机配体协调的晶体材料[[23], [24], [25]]，由于其高度可调的3D多孔结构和巨大的表面积，它们是结构上补充1D CNT网络的理想候选者。先前的研究表明，加入MOFs或其功能化衍生物可以降低几种聚合物基体的峰值热释放率并抑制有毒烟雾的排放，包括ABS[26]、聚碳酸酯聚氨酯[27,28]和环氧树脂[29,30]。在热降解过程中，MOFs中的过渡金属簇作为活性固相催化剂，促进降解聚合物链的早期交联、脱氢和石墨化，而它们固有的3D多孔结构同时捕获和保留芳香族产物[31,32]。在此过程中，MOF拓扑结构中的过渡金属节点会发生原位热转化，形成高反应性的金属氧化物，直接改变聚合物基体的热降解路径[33]。尽管具有这些催化和抑烟能力，MOFs主要以离散的多面体颗粒形式存在，缺乏维持宏观屏障所需的长程结构连续性。因此，在连续火焰暴露和聚合物熔体的沸腾动态下，形成的MOF催化炭通常形成碎片化的“岛屿”结构，容易被挥发性燃料穿透，限制了它们的整体保护效果。
为了解决原始CNTs缺乏活性阻燃单元和离散MOFs的宏观结构不连续性问题，采用了一种相互增强的空间工程策略来合成多维混合填料（P-MWCNT-MOF）。使用高度分支的聚乙烯亚胺（PEI）作为界面桥接剂，将UiO-66-NH2原位生长在胺化的多壁碳纳米管（MWCNT）支架上，然后局部浸渍焦磷酸。与传统的物理混合不同，这种牢固的化学锚定减少了宏观相分离，防止了熔融加工过程中的界面脱粘。这种特定的界面设计利用了结构模板和空间位阻的物理机制：刚性的MOF多面体作为物理间隔物，破坏了纳米管的范德华相互作用，从而减少了宏观聚集；而连续的纳米管网络则作为坚固的长程模板，桥接了局部的MOF催化节点。因此，在燃烧过程中建立了综合的协同机制，其中活性含磷物种引发基体的早期脱水，MOF衍生的ZrO2纳米颗粒促进石墨化，而缠结的CNTs将致密的炭物理固定成连贯的屏障。通过加入5 wt%的P-MWCNT-MOF填料，本研究验证了其有效抑制热量释放和有毒烟雾排放的能力，同时成功克服了传统的机械权衡，保持了基体的内在结构韧性，最终为先进的防火聚合物复合材料提供了一种可行的界面工程范例。
