一种便捷的策略构建方法：Zeolite@Fe用于高效阻燃环氧树脂

《Materials Today Communications》：A convenient strategy construction Zeolite@Fe for highly efficient flame retardant epoxy resin

环氧树脂通过负载铁基化合物的天然沸石（Zeolite@Fe）实现阻燃性能提升，5wt%添加量下达到V-0级，LOI值31.5%，显著降低热释放速率（-27.3%）、烟产量（-26.2%）等关键指标。

　　环氧树脂（EP）因其卓越的机械强度、粘附性能和化学稳定性，在汽车、航空航天以及粘合剂等行业中得到了广泛应用。然而，环氧树脂具有极高的可燃性，这使得其在对防火性能要求严格的环境中应用受到限制。因此，开发高效且性能优异的阻燃剂对于提升环氧树脂的防火性能至关重要。本研究提出了一种新型的阻燃剂——Zeolite@Fe，通过将铁基金属化合物负载在天然沸石矿物表面，采用水相制备方法成功合成，并将其应用于环氧树脂的阻燃改性中。实验结果显示，添加5%的Zeolite@Fe可使环氧树脂达到V-0级别的阻燃等级，并实现31.5%的极限氧指数（LOI）。相比之下，EP/5% Zeolite@Fe在燃烧过程中表现出显著降低的峰值热释放速率（PHRR）、总烟气生成速率（TSP）、峰值一氧化碳生成速率（PCOP）和峰值二氧化碳生成速率（PCO?P），分别降低了27.3%、26.2%、41.1%和28.8%。这些结果表明，Zeolite@Fe能够有效增强环氧树脂的阻燃性能，同时减少燃烧过程中产生的热量、烟雾和有毒气体。

此外，Zeolite@Fe的引入还改善了环氧树脂的机械性能。这主要归因于其在燃烧过程中形成的致密和连续的炭层，能够阻碍气体产物和热量的传递，从而有效抑制燃烧反应的进行。在热解过程中，炭层起到了物理屏障的作用，防止了热和氧对底层材料的侵蚀，从而降低了燃烧的剧烈程度。同时，铁基化合物的加入有助于提高环氧树脂的热稳定性，使其在高温下仍能保持结构完整，减少热分解带来的有害物质释放。

当前，许多阻燃剂的使用对环境和人体健康造成了潜在威胁。传统的含卤阻燃剂在燃烧时会释放大量有毒气体，如氯化氢和二恶英，这些物质不仅对人类健康构成严重风险，还可能对生态环境造成破坏。含磷阻燃剂虽然在一定程度上能够改善材料的阻燃性能，但它们通常作为添加剂使用，容易挥发并渗入环境中，导致生物累积和生态系统的污染。因此，开发无卤、无磷的绿色阻燃剂成为近年来研究的重点。天然矿物材料因其成本低廉、环境友好以及良好的热稳定性，被认为是理想的阻燃剂候选材料。沸石作为一种典型的天然矿物材料，因其具有多孔结构和较高的热稳定性，已被广泛应用于环氧树脂的阻燃改性中。然而，未经改性的沸石在提升环氧树脂的LOI值和整体阻燃性能方面效果有限，难以满足严格的防火标准。

为了进一步提升沸石的阻燃效率，研究者们尝试对其进行有机改性。例如，Sun等人通过在N,N-二甲基甲酰胺溶液中使用三甲氧基苯基硅烷、硼酸和沸石作为原料，合成了Zeolite@BSi，并将其应用于阻燃环氧树脂。实验结果表明，添加7%的Zeolite@BSi可以使环氧树脂达到V-0等级，并实现28.7%的LOI值。同时，与未改性的环氧树脂相比，EP/Zeolite@BSi的PHRR、THR和TSP分别降低了34.05%、25.42%和33.14%。这些数据说明，有机功能化的沸石在提升环氧树脂的阻燃性能方面具有显著效果。然而，该过程需要使用有机单体和有机溶剂，这不仅增加了生产成本，还可能产生大量有机废液，对环境造成污染。因此，寻找一种更环保的改性方法，以实现高效阻燃性能，成为当前研究的一个重要方向。

近年来，研究者们开始关注在聚合物中添加含过渡金属化合物的阻燃剂，以提高其防火性能。过渡金属化合物（如铁、铜和镍）在填料界面的引入，能够显著增强聚合物的阻燃效果。在燃烧过程中，这些金属化合物会氧化生成相应的金属氧化物，形成致密的炭层，从而阻碍热量和气体的传递，有效保护底层材料免受热和氧的侵蚀。例如，Guo等人制备了一种新型的SiO?@UiO-66核心-壳结构的复合微球，并将其用于阻燃环氧树脂。实验结果显示，添加3%的SiO?@UiO-66-2可使环氧树脂的PHRR、THR和TSP分别降低31%、23%和16%。SiO?@UiO-66-2能够促进环氧树脂在燃烧过程中形成连续且热稳定的炭层，从而有效减少热和氧对材料的破坏。Zhang等人则成功合成了a-SEP@LDH，并将其应用于阻燃环氧树脂。实验表明，添加2.3%的a-SEP@LDH可使环氧树脂复合材料达到V-1级别的阻燃性能，LOI值为31.1%。同时，PHRR和TSP分别降低了21%和16%。Feng等人则制备了钴铁金属氧化物功能化的氮化硼（BN@CoFeOx），并将其应用于阻燃环氧树脂。结果表明，添加2%的BN@CoFeOx可使环氧树脂的PHRR、THR、PSPR和TSP分别降低44.7%、42.7%、54.8%和56.2%。LOI值从24.2%提升至34.3%，达到了V-0等级。这些研究结果表明，通过金属界面改性的无机填料能够显著提升环氧树脂的防火性能。

基于上述研究背景，本研究提出了一种新的铁基功能化沸石材料——Zeolite@Fe。该材料通过将铁化合物负载在沸石表面，采用水相制备方法合成。这种合成方法避免了传统有机改性过程中对有机溶剂和单体的依赖，从而减少了对环境的污染。同时，通过系统的表征手段，研究了Zeolite@Fe的微观形态、化学结构和成分。实验还探讨了Zeolite@Fe对环氧树脂阻燃性能、烟雾抑制和热稳定性的影响。此外，还对环氧树脂复合材料在热解过程中形成的残余炭以及释放的气体进行了深入研究，提出了Zeolite@Fe在环氧树脂中阻燃作用的机制。

研究中使用的材料包括环氧树脂（E-44）、天然沸石、4,4′-二氨基二苯甲烷（DDM）、氢氧化钠（NaOH）和六水合氯化铁（FeCl?·6H?O）。所有化学品均未经过进一步纯化即可用于实验。实验过程中采用的去离子水由实验室自行制备。这些材料的选择基于其在阻燃领域中的广泛应用以及良好的化学兼容性。

Zeolite@Fe的合成过程首先涉及将沸石作为基材，通过水相反应将铁化合物沉积在其表面。该过程的关键在于控制反应条件，以确保铁化合物能够均匀地分布在沸石表面，形成稳定的复合结构。合成后的Zeolite@Fe材料经过详细的表征分析，包括其微观形态、化学结构和成分。这些分析手段能够帮助研究者理解Zeolite@Fe的物理和化学特性，从而为后续的性能评估提供理论依据。

在对Zeolite@Fe的微观形态和化学结构进行表征后，研究进一步探讨了其对环氧树脂阻燃性能的影响。实验结果表明，添加5%的Zeolite@Fe可使环氧树脂达到V-0级别的阻燃性能，LOI值为31.5%。这一结果表明，Zeolite@Fe能够有效提升环氧树脂的防火能力。同时，EP/5% Zeolite@Fe在燃烧过程中表现出显著降低的PHRR、PSPR、TSP、PCOP和PCO?P，分别降低了27.3%、28.2%、26.2%、41.7%和28.8%。这些数据说明，Zeolite@Fe不仅能够有效抑制燃烧反应的进行，还能够显著减少燃烧过程中产生的热量、烟雾和有毒气体的释放。

除了对阻燃性能的提升，Zeolite@Fe还表现出良好的烟雾抑制效果。在燃烧过程中，环氧树脂会释放大量烟雾，这不仅会降低能见度，还可能含有大量有毒气体，对人员安全构成威胁。通过引入Zeolite@Fe，环氧树脂在燃烧过程中能够形成更致密的炭层，从而减少烟雾的生成和释放。此外，Zeolite@Fe的引入还提高了环氧树脂的热稳定性。在高温环境下，环氧树脂容易发生热分解，释放出大量的热量和有毒气体。Zeolite@Fe的加入能够有效延缓这一过程，使环氧树脂在高温下保持更长的稳定性，从而减少燃烧时的热释放速率。

为了进一步理解Zeolite@Fe在环氧树脂中阻燃作用的机制，研究还对环氧树脂复合材料在热解过程中形成的残余炭以及释放的气体进行了深入分析。实验结果表明，Zeolite@Fe能够促进环氧树脂的早期热解，形成更多的炭层，并有效抑制燃烧反应的进一步发展。这一过程可能涉及多种机制，包括物理阻隔、化学抑制和热传导阻断等。通过这些机制，Zeolite@Fe能够在燃烧过程中形成一个稳定的炭层，从而降低热和氧的传递效率，减少燃烧的剧烈程度。

综上所述，本研究提出了一种基于天然沸石的绿色阻燃剂Zeolite@Fe，并将其成功应用于环氧树脂的阻燃改性中。实验结果表明，Zeolite@Fe能够显著提升环氧树脂的阻燃性能，使其达到V-0级别的防火标准。同时，该材料在燃烧过程中表现出良好的烟雾抑制效果和热稳定性，有助于减少燃烧时产生的热量、烟雾和有毒气体的释放。此外，Zeolite@Fe的合成过程采用水相方法，避免了传统有机改性过程中对有机溶剂和单体的依赖，从而减少了对环境的污染。因此，本研究为开发高效、环保的阻燃剂提供了一种新的思路，并为制备具有优异防火性能的环氧树脂复合材料提供了理论依据和实验支持。