基于共价锚定策略的功能化聚磷酸铵阻燃剂赋予环氧树脂阻燃-抑烟-成炭三重功能

为解决环氧树脂(EP)中聚磷酸铵(APP)的成炭与抑烟问题，研究人员通过硅烷偶联剂KH550水解缩合实现APP表面共价键合，并锚定二茂铁于席夫碱结构中，合成新型阻燃剂SPFE。该材料使EP获得阻燃(UL-94 V-0)、抑烟(TSR降低41.6%)和成炭(PHRR降低47.3%)三重功能，同时提升力学性能，为无卤阻燃体系设计提供新思路。

　　

环氧树脂(EP)作为应用广泛的热固性材料，在航空航天、电子电器等领域发挥着重要作用。然而其高度易燃性、燃烧时释放大量烟雾和熔滴等问题，严重威胁公共安全。尽管传统卤系阻燃剂效果显著，但因毒性、生物累积性等问题已被欧盟ROHS指令限制使用。聚磷酸铵(APP)作为环保型磷氮协同阻燃剂虽具潜力，但与EP基体相容性差、添加量大导致力学性能下降，且成炭和抑烟效果不足。如何通过分子设计同时解决相容性、阻燃效率与抑烟性能的难题，成为该领域的研究焦点。

中国民航大学的研究团队在《Polymer Degradation and Stability》发表研究，创新性地将硅烷偶联剂KH550的水解缩合特性与席夫碱的催化成炭功能相结合，通过共价锚定策略在APP表面构建含二茂铁的有机壳层，开发出多功能阻燃剂SPFE。该设计巧妙整合了硅氧烷网络的增强效应、席夫碱的催化成炭作用以及二茂铁的抑烟功能，使EP复合材料在3 wt%低添加量下即实现UL-94 V-0级阻燃，热释放速率峰值(PHRR)降低47.3%，总烟释放量(TSR)下降41.6%，同时弯曲强度和冲击强度显著提升。

研究采用三大关键技术：1）通过硅烷水解缩合实现APP表面共价功能化；2）利用席夫碱反应锚定二茂铁结构；3）通过锥形量热(CCT)和热重分析(TGA)系统评价阻燃性能。

【材料制备】通过KH550与对苯二甲醛的缩合反应构建席夫碱中间体，再引入二茂铁甲醛获得功能化分子SFE，最终通过硅氧烷水解在APP表面形成共价键合的SPFE阻燃剂。

【性能表征】SEM显示SPFE在EP基体中分散均匀无团聚；XPS证实Fe元素成功锚定；TGA显示SPFE使EP残炭率从14.3%提升至28.6%。

【阻燃机制】气相中：APP分解释放磷自由基捕获燃烧链式反应活性基团；二茂铁催化CO转化为CO₂。凝聚相中：硅氧烷网络增强炭层稳定性；席夫碱促进交联成炭；Fe²⁺加速APP磷酸化形成致密膨胀炭层。

该研究突破传统阻燃剂单一功能局限，通过分子水平的多功能集成设计，实现阻燃-抑烟-力学增强的协同效应。所提出的共价锚定策略为开发高性能无卤阻燃体系提供新范式，对航空内饰材料等安全敏感领域具有重要应用价值。研究同时揭示二茂铁在催化成炭与烟雾转化中的双功能机制，为过渡金属在阻燃领域的应用开辟新思路。