智能可交联芳香族亚胺技术使聚酯材料兼具耐热性、阻燃性、抑烟性和不滴落特性

《Polymer Degradation and Stability》：Smart Crosslinkable Aromatic-Imine Enables Integrated Heat-Resistance, Flame Retardancy, Smoke Suppression and Non-Dripping for Polyester

无卤无磷聚酯材料绿色合成与阻燃机理研究。

　　在现代社会中，随着聚合物材料的广泛应用，火灾风险也日益增加。为了应对这一挑战，研发高性能、具有防火、抑烟和防滴落特性的聚合物材料成为迫切需求。聚酯作为一种通用的热塑性聚合物，广泛应用于纤维纺织品、薄膜和塑料制品等领域。然而，传统的聚酯材料在燃烧时容易产生大量的熔融滴落和浓烟，这不仅增加了火灾的蔓延速度，还对人员安全和财产造成严重威胁。因此，如何在不损害聚酯原有热性能的前提下，实现其防火、抑烟和防滴落的综合提升，成为当前材料科学领域的重要研究方向。

目前，工业界普遍采用的方法是在聚合物基体中添加含卤素或磷的阻燃剂，以改善材料的防火性能。这类阻燃剂通常通过捕获燃烧过程中产生的活性氢自由基（H·）和羟基自由基（HO·）来中断燃烧反应链，从而达到阻燃效果。然而，这些含卤素或磷的阻燃剂在使用过程中可能释放出具有腐蚀性的氢卤化物气体，并且在燃烧时会生成大量烟雾，增加了火灾现场的危险性。此外，许多小分子阻燃剂由于其塑化效应和与聚合物基体的不兼容性，往往会降低材料的热稳定性和玻璃化转变温度（Tg），从而限制了其在更多应用场景中的使用。

为了克服上述问题，研究团队提出了一种全新的绿色策略，旨在通过化学共聚的方法，将含芳香亚胺基团的单体（CID）引入聚酯分子链中，从而实现聚酯材料在热性能、防火性能、抑烟能力和防滴落方面的同步提升。该策略的核心在于，CID单体中含有的芳香亚胺基团在聚合和加工过程中保持稳定，不会发生化学交联，而在燃烧过程中，这些基团能够迅速交联，形成交联结构，从而显著提高材料的熔融粘度，抑制熔融滴落现象的发生。这种交联作用不仅能够减少火焰蔓延的可能性，还能促进在材料表面形成致密的炭层，进一步增强其防火和抑烟性能。

实验结果显示，通过化学共聚制备的PET-CID聚酯材料在多个关键性能指标上表现优异。首先，其玻璃化转变温度（Tg）显著提高，达到了84.0°C，表明材料在高温环境下的稳定性得到了有效增强。其次，其极限氧指数（LOI）提高至31.5%，说明材料在空气中燃烧的难度大幅增加，防火性能得到了显著改善。此外，PET-CID材料的峰值热释放速率降低了42%，峰值烟雾释放速率减少了45%，并且在燃烧过程中不会产生熔融滴落，符合UL-94 V-0阻燃等级的要求。这些数据表明，PET-CID材料在实际火灾场景中能够有效降低火灾危害，提高安全性能。

这种基于芳香亚胺基团的新型阻燃策略具有重要的创新意义。首先，它避免了传统阻燃剂中常见的卤素和磷元素的使用，从而降低了对环境和人体健康的潜在危害。其次，该策略将阻燃、抑烟和防滴落等功能集成在同一个分子结构中，实现了材料性能的协同优化，减少了对多种添加剂的依赖。更重要的是，芳香亚胺基团在聚合和加工过程中保持稳定，不会影响材料的加工性能和热稳定性，而在高温燃烧条件下则能够迅速交联，形成具有高阻燃性的交联结构。这种“智能”交联特性使得PET-CID材料能够在不同温度条件下展现出优异的性能表现。

为了实现这一目标，研究团队首先设计并合成了CID单体。CID单体中引入了芳香亚胺基团，这一结构不仅赋予材料良好的热稳定性，还在燃烧过程中能够迅速交联，形成致密的炭层。通过化学共聚的方式，CID单体被成功地引入到PET分子链中，制备出一系列具有不同交联度的PET-CID聚酯材料。这些材料在热性能、阻燃性能和抑烟性能等方面均表现出色，同时避免了传统阻燃剂所带来的迁移、塑化效应和兼容性问题。

在材料表征方面，研究团队利用核磁共振（NMR）光谱对CID单体的化学结构进行了详细分析。NMR谱图显示，CID单体中的N-H基团在11.8 ppm处有明显的信号峰，而芳香亚胺基团中的CH=N氢则在8.82 ppm处呈现特征峰。此外，苯环上的氢原子在7.25-8.50 ppm范围内出现多个信号峰，表明CID单体中的芳香结构完整无缺。而甲基酯基团上的氢原子则在3.91 ppm处有清晰的信号，进一步验证了CID单体的结构特征。这些表征结果为后续材料性能的评估提供了重要的理论依据。

为了进一步验证PET-CID材料的热稳定性和阻燃性能，研究团队还进行了热重分析（TGA）和燃烧测试。TGA结果显示，PET-CID材料的初始分解温度（T5%）明显高于传统PET材料，表明其在高温环境下的热稳定性得到了显著提升。同时，燃烧测试表明，PET-CID材料在燃烧过程中能够形成致密的炭层，有效抑制火焰蔓延和烟雾释放。此外，材料在燃烧时不会产生熔融滴落，这不仅减少了二次火灾的风险，也降低了对人员的伤害。

在实际应用中，PET-CID材料展现出广阔的前景。由于其不含卤素和磷元素，这种材料更加环保，符合当前对绿色材料的需求。同时，其优异的热性能和阻燃性能使其在高温环境下具有更高的应用价值，特别是在需要高耐热性和防火性能的领域，如航空航天、交通运输和建筑装饰等。此外，PET-CID材料的防滴落特性也使其在一些特殊应用场景中具有优势，例如在火灾逃生设备和高温防护服等领域。

总的来说，这项研究为开发高性能、环保型的阻燃聚合物材料提供了一种新的思路和方法。通过引入芳香亚胺基团，研究团队成功地在不牺牲材料原有性能的前提下，提升了聚酯材料的防火、抑烟和防滴落能力。这种“智能”交联策略不仅克服了传统阻燃剂的诸多缺点，还为未来高性能阻燃材料的设计与开发奠定了基础。未来，随着对材料性能要求的不断提高，这一策略有望在更多领域得到应用，推动绿色阻燃材料的发展。