基于炭层强化抑烟策略的聚磷酸铵表面微调控构建阻燃热塑性聚氨酯复合材料

针对热塑性聚氨酯(TPU)易燃且燃烧时产生大量烟雾的问题，研究人员通过一锅法对聚磷酸铵(APP)进行表面微结构修饰，构建核壳膨胀型阻燃剂(APT)，显著提升TPU的阻燃性和抑烟性能。TPU/7APT复合材料达到UL-94 V-0级，热释放速率峰值降低80.0%，总烟产量减少22.8%，为高性能TPU复合材料开发提供新思路。

　　

热塑性聚氨酯(TPU)因其优异的机械性能和加工特性，广泛应用于电缆护套、装饰材料等领域。然而，其极限氧指数(LOI)较低，燃烧时不仅释放大量有毒烟雾，还会产生熔滴现象，极易引发二次灾害。虽然聚磷酸铵(APP)作为磷-氮膨胀型阻燃剂(IFR)能有效提升TPU阻燃性，但单独使用时会导致烟雾排放量激增，且因缺乏碳源形成疏松炭层，难以抑制烟雾扩散。这一矛盾严重制约了TPU在建筑、电力等领域的应用拓展。

针对这一难题，浙江某高校联合武汉理工大学的研究团队在《Powder Technology》发表创新成果。他们采用一锅法对APP进行表面微调控，通过单宁酸(TA)和哌嗪(PA)的协同作用，构建了兼具气源、碳源和酸源功能的核壳结构阻燃剂APT。研究通过熔融共混将APT引入TPU基体，系统考察了复合材料的阻燃性能、热稳定性和抑烟效果，并借助热重分析(TGA)、锥形量热测试(CONE)等技术揭示了作用机制。

材料表征验证结构设计
傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示APT在2460 cm^-1
处出现-NH₂
⁺
特征峰，证实PA与APP成功反应形成NH₂
⁺
-O-P结构。扫描电镜(SEM)观察到APT表面形成均匀包覆层，且热重分析表明其残炭率较APP提升12.3%，证明TA有效增强了炭源功能。

阻燃性能突破性提升
含7 wt% APT的TPU复合材料达到UL-94 V-0级且无熔滴，热释放速率峰值(pHRR)和总热释放量(THR)分别降低80.0%和37.8%。对比未改性APP体系，总烟产量(TSP)进一步减少22.8%，实现阻燃与抑烟协同增效。

作用机制深度解析
炭层分析显示，APT促使TPU形成连续致密的膨胀炭层，其石墨化程度提高3.2倍，有效阻隔热量和烟雾扩散。气相色谱-质谱联用(GC-MS)检测发现，APT显著减少苯系物等有毒挥发物生成，证实其气相-凝聚相协同阻燃机制。

该研究通过APP表面微调控策略，成功解决了传统IFR在TPU中烟雾排放过大的行业难题。所开发的APT阻燃剂不仅制备工艺简便，更实现了阻燃效率与环保性能的双重突破，为高性能聚合物复合材料设计提供了新范式。特别值得注意的是，TA的生物基特性使该技术兼具可持续发展优势，符合当前绿色材料的发展趋势。研究获得浙江省教育厅科研项目(Y202456329)和国家自然科学基金(52474245)支持，相关成果已具备产业化应用潜力。