碳纤维增强ε-己内酰胺基聚酰胺6复合材料的协同阻燃涂层：防火性能与机械性能的优化研究

为解决碳纤维增强聚酰胺6（PA6/CF）复合材料易燃性问题，研究人员通过原位模内涂层技术开发了含MgO、红磷（RP）、六苯氧基环三磷腈（HPCTP）和可膨胀石墨（EG）的协同阻燃体系。研究显示，该涂层使热释放峰值（pHRR）降低33%，总热释放（THR）减少40%，并通过SEM-EDS和LP-FTIR揭示了异质原子富集与气相自由基捕获机制。成果发表于《Polymer Degradation and Stability》，为交通运输等领域的高分子材料防火安全提供了新策略。

　　

随着轻量化材料在汽车、航空航天等领域的广泛应用，碳纤维增强聚酰胺6（PA6/CF）复合材料因其高强度、易回收等特性备受青睐。然而，这类材料的致命弱点在于其有机基体的高度易燃性——燃烧时不仅会快速蔓延火焰，还会释放剧毒的氢氰酸（HCN）和一氧化碳（CO）。更棘手的是，传统阻燃剂在阴离子开环聚合（AROP）工艺中易失效，且碳纤维层会阻碍膨胀型阻燃剂的成炭过程。如何在不损害机械性能的前提下提升防火安全性，成为横亘在材料科学家面前的难题。

针对这一挑战，国内某研究团队创新性地采用原位模内涂层技术，在PA6/CF复合材料表面构建了含镁、磷元素与可膨胀石墨（EG）的协同阻燃体系。研究通过热解燃烧流热量计（PCFC）、质量损失型锥形量热仪（MLC）等分析手段，结合激光热解-傅里叶变换红外光谱（LP-FTIR）和扫描电镜-能谱（SEM-EDS），系统评估了涂层的阻燃机理与性能优化效果。论文发表于《Polymer Degradation and Stability》，为高性能复合材料的防火设计提供了新思路。

关键技术方法包括：1）通过阴离子开环聚合制备PA6基体及涂层；2）采用PCFC和MLC量化热释放参数；3）利用SEM-EDS分析残炭元素分布；4）通过LP-FTIR解析气相分解产物；5）通过三点弯曲和剥离试验评估机械性能与界面结合力。

3.1 热解燃烧流热量计分析
研究发现，含3%磷的HPCTP与3%EG组合使热释放峰值（pHRR）降低40%，且EG含量增加可延缓热释放进程。镁基涂层则通过催化氧化使CO₂排放量显著增加，揭示了不同阻燃剂的特性差异。

3.2 锥形量热测试
涂层使复合材料的总热释放（THR）最高降低40%，其中HPCTP/EG体系表现最优。时间-热释放曲线显示，涂层能快速形成保护层阻断燃烧链式反应，而EG的加入使残炭率提升28%。

3.3 残炭微观机制
SEM-EDS证实EG膨胀形成的"蠕虫状"结构（体积膨胀达100 cm³/g）与磷/镁元素在炭层外部的富集（P含量增加43%），共同构建了稳定的梯度屏障。这种"外磷内碳"的结构有效抑制了热量传递。

3.4 气相阻燃途径
LP-FTIR显示HPCTP分解产生磷氮自由基，可捕获燃烧链式反应中的H?/OH?自由基；而RP通过生成磷酸类化合物，同时发挥气固双相阻燃作用。

3.5 综合性能验证
尽管HPCTP会降低涂层硬度（Shore D值从71降至57），但EG的加入可补偿该缺陷。三点弯曲测试表明，MgO/EG涂层使弯曲模量达35 GPa，且所有涂层与基体的剥离强度均超过1 MPa。

该研究通过多尺度表征揭示了协同阻燃机制：EG的物理膨胀与磷/镁化合物的化学催化形成"双保险"防护层，其中HPCTP/EG组合在气相（自由基捕获）和凝聚相（成炭增强）均表现卓越。尤为重要的是，这种表面改性策略规避了碳纤维对本体阻燃的不利影响，为兼顾防火安全与力学性能的材料设计提供了范式。未来研究可进一步探索涂层厚度与纤维取向对性能的调控规律，推动其在电动汽车电池壳体等关键场景的应用。