由呋喃衍生的磷系阻燃剂与呋喃衍生的环氧热固性树脂结合而成的材料，兼具优异的机械性能、热稳定性和阻燃效果

《Polymer Degradation and Stability》：Furan-derived phosphine flame-retardant furan-derived epoxy thermosets with combined mechanical properties, thermal stability and flame retardancy

生物基环氧树脂DGFA与自合成磷阻燃剂DFDA-DPPO复合，制备出兼具高机械性能（81.9 MPa tensile strength）、优异热稳定性（Tg 98.5°C）和阻燃性（LOI 33.5%，UL94 V-0）的新型生物基环氧体系。研究揭示了DFDA-DPPO在固相和气相中的阻燃机制，为可持续材料开发提供了创新方案。

　　在当前的工业应用中，环氧树脂因其出色的机械性能、尺寸稳定性和化学耐腐蚀性而被广泛使用，特别是在轨道交通、航空航天和建筑等领域。然而，大多数商用环氧热固性材料主要来源于双酚A型环氧预聚物（DGEBA）的热固化，其生产过程高度依赖于化石资源，这不仅带来了资源枯竭的风险，还伴随着高能耗和大量温室气体的排放。随着全球对可持续发展需求的增加，以及化石资源的持续消耗，开发基于可再生资源的环氧树脂已成为热门研究方向。

近年来，研究者们开始探索利用生物基材料来替代传统DGEBA型环氧树脂。例如，通过从天然来源提取的化合物，如肉桂醇、木酚酸、香草醛和糠醇等，合成具有生物基特性的环氧单体。这些生物基环氧材料不仅能够减少对化石资源的依赖，还可能具备更好的生物降解性和环境友好性。然而，尽管这些生物基环氧材料在机械性能和热稳定性方面表现良好，但它们通常缺乏有效的阻燃性能，这限制了其在某些高风险应用场景中的使用。

因此，如何在保持生物基环氧树脂优良性能的同时，提升其阻燃性，成为当前研究的重点。传统的阻燃方法通常采用添加型阻燃剂，即在聚合物基体中加入阻燃物质，以降低材料的可燃性。然而，这种方法可能会导致阻燃剂与基体之间的相容性问题，影响材料的机械性能和整体性能。相比之下，内在型阻燃方法通过化学键将阻燃元素（如氮、磷、硅）直接引入到大分子链中，从而提高阻燃效果并减少对材料性能的负面影响。

本研究中，我们选择糠醇衍生物作为原料，合成了一种新型的生物基环氧单体——N,N-二缩水甘油基糠胺（DGFA），并进一步开发了一种基于生物基的阻燃剂（DFDA-DPPO）。DFDA-DPPO由糠胺、糠醛和二苯基磷酸氧化物（DPPO）合成而成。通过将DFDA-DPPO以不同比例添加到DGFA中，并使用4,4'-二氨基二苯基甲烷（DDM）作为固化剂，我们制备了一系列具有阻燃性能的生物基环氧热固性材料。这些材料在燃烧测试中表现出优异的阻燃性能，其中含1.5%磷元素的DGFA/DDM-1.5P样品达到了33.5%的极限氧指数（LOI）和UL-94 V-0阻燃等级，同时具备81.9 MPa的拉伸强度、16.7 kJ/m2的冲击强度以及98.5°C的玻璃化转变温度（Tg）。这些性能指标表明，该材料不仅具备良好的机械性能和热稳定性，还具有出色的阻燃特性，能够满足可持续发展对高性能生物基材料的需求。

为了进一步了解DFDA-DPPO在材料中的阻燃机制，我们对其在凝聚相和气相中的作用进行了系统研究。在凝聚相中，DFDA-DPPO通过形成稳定的炭层来隔绝氧气，减少可燃物的热传导和热辐射。而在气相中，DFDA-DPPO能够释放出阻燃性气体，如二氧化碳和水蒸气，从而抑制燃烧反应。此外，DFDA-DPPO中的磷元素还可以与燃烧过程中产生的自由基发生反应，从而中断链式反应，降低燃烧速度。这种多方面的阻燃机制使得DFDA-DPPO在提升材料阻燃性能的同时，不会显著影响其机械和热性能。

在材料合成过程中，我们采用了多种方法来确保DFDA-DPPO能够均匀地分散在DGFA基体中。首先，通过优化反应条件，如温度、时间、催化剂用量等，我们提高了DFDA-DPPO与DGFA的相容性。其次，我们利用了不同的固化剂（如DDM）来调节反应的速率和程度，从而获得最佳的性能平衡。实验结果表明，随着DFDA-DPPO含量的增加，材料的阻燃性能显著提升，但同时其热稳定性和机械性能也有所改善。这表明，DFDA-DPPO不仅能够有效提升材料的阻燃性，还能增强其整体性能，使其成为一种理想的阻燃型生物基环氧树脂。

此外，我们还对DFDA-DPPO的结构特性进行了详细分析。通过核磁共振（NMR）光谱技术，我们确认了DFDA-DPPO的化学结构，发现其分子中含有丰富的磷元素，这有助于在燃烧过程中形成稳定的阻燃层。同时，DFDA-DPPO的分子结构使其能够与DGFA形成较强的相互作用，从而提高其在基体中的分散性和稳定性。这些结构特性不仅保证了DFDA-DPPO的阻燃效果，还使其能够与DGFA协同作用，提升材料的综合性能。

在本研究中，我们还探讨了DFDA-DPPO对DGFA/DDM体系固化动力学的影响。实验结果表明，DFDA-DPPO的加入对固化反应的活性影响较小，但能够显著改变固化过程的速率和程度。这表明，DFDA-DPPO在不影响固化反应进行的前提下，能够有效提升材料的阻燃性能。通过调整DFDA-DPPO的添加比例，我们能够在保持材料良好固化性能的同时，实现阻燃性能的最大化。

总的来说，本研究开发了一种基于糠醇衍生物的新型生物基环氧单体（DGFA）和一种具有优异阻燃性能的生物基阻燃剂（DFDA-DPPO）。通过将DFDA-DPPO添加到DGFA中，并使用DDM作为固化剂，我们成功制备了一系列具有优异机械性能、热稳定性和阻燃性能的生物基环氧热固性材料。这些材料在燃烧测试中表现出良好的阻燃效果，达到了UL-94 V-0等级，并且在极限氧指数（LOI）和玻璃化转变温度（Tg）等方面也优于传统DGEBA型环氧树脂。此外，DFDA-DPPO在凝聚相和气相中的阻燃机制得到了深入研究，为今后开发高性能生物基环氧树脂提供了理论依据和实践指导。

本研究不仅为解决传统环氧树脂依赖化石资源的问题提供了可行的替代方案，还为提升生物基环氧树脂的阻燃性能提供了新的思路。通过合理设计材料的结构和组成，我们能够在保持材料优良性能的同时，有效提高其阻燃性，使其更适用于高安全要求的领域。同时，本研究的成果也为未来开发更多具有环境友好性和高性能的生物基材料奠定了基础。随着对可持续材料需求的不断增长，这类材料有望在未来得到更广泛的应用，推动绿色化学和环保材料的发展。