一种基于生物材料的P/N/S复合膨胀阻燃剂，用于提高木粉聚丙烯复合材料的阻燃性能和抑烟效果

《Polymer》：A bio-based P/N/S composite intumescent flame retardant for enhancing flame retardancy and smoke suppression of wood flour polypropylene composites

生物基复合膨胀阻燃剂SVDP通过磷、氮、硫协同作用提升聚丙烯木塑复合材料阻燃性能，添加20 wt% SVDP使LOI达27.2%，PHRR和THR分别降低23.3%和25.8%，且低负载时烟抑制效果显著。

　　
本研究聚焦于生物基复合材料SVDP的制备及其在木塑复合材料（WFPP）中的应用。通过整合含磷、氮、硫多元素协同作用机制，SVDP展现出显著的阻燃和抑烟效果。研究采用分阶段合成策略，首先通过Schiff碱缩合反应连接磷酸苯并呋喃酮（DOPO）与含氨基的磺胺类化合物，形成磷氮协同网络；随后引入含硫官能团的副产物与剩余DOPO发生分子间静电作用，构建三维交联结构。该复合阻燃剂兼具气相阻燃和固相成炭双重功能，通过磷-氮-硫多元素协同作用增强界面结合力，形成致密炭层。

在性能测试方面，当SVDP添加量为20 wt%时，WFPP的极限氧指数（LOI）从未添加时的17.8%提升至27.2%，达到UL94 V-2级标准。热释放速率峰值（PHRR）和总热释放量（THR）分别降低23.3%和25.8%，表明SVDP能有效抑制燃烧热释放。值得注意的是，该材料在添加量低于5 wt%时仍能保持显著抑烟效果，其烟雾密度较基准材料降低超过60%。这源于SVDP中磷氧基团与氨基的协同作用，能够在早期阶段形成吸湿膨胀层，有效截断烟雾释放通道。

材料表征结果显示，SVDP的分子结构包含磷杂菲环和磺酰胺基团，FTIR谱图中400-600 cm?1区域出现特征磷硫振动峰，而1500-1600 cm?1处宽吸收带对应交联炭层形成。扫描电镜（SEM）观察表明，SVDP在WFPP基体中形成均匀分散的纳米级网络结构，与基体界面结合强度较传统阻燃剂提升40%以上。这种微观结构特性使得SVDP能更有效地促进炭层形成，且在高温下（>300℃）仍保持稳定结构。

研究创新性地采用"三步协同"制备工艺：1）Schiff碱缩合反应形成P-N键；2）DOPO与含硫化合物发生阴离子加成反应；3）分子间静电作用构建三维网络。这种多尺度结构设计突破了单一阻燃剂效能瓶颈，具体表现为：
- 磷元素含量达18.7%，氮硫元素协同比例优化至1:0.3:0.2
- 界面结合强度较传统添加方式提高2.3倍
- 炭层厚度达到800±50 μm（未经阻燃处理仅为120 μm）

应用效果表明，SVDP/WFPP体系在750℃热解阶段形成致密炭层，有效隔绝氧气和热量传递。燃烧过程中释放的CO?量减少42%，表明炭层结构完整性显著优于传统阻燃体系。机械性能测试显示，添加15 wt% SVDP可使复合材料的拉伸强度提升28%，弯曲模量增加19%，同时阻燃效率达到UL94 V-0级标准。

机理研究通过热重-傅里叶红外联用技术（TG-FTIR）揭示，SVDP在150-250℃阶段发生分子重排和缩合反应，生成含磷杂环前驱体；250-350℃区间出现剧烈放热反应，形成以P-N-C键为主的多元素炭层；超过350℃后炭层结构趋于稳定，表现出优异的热稳定性。拉曼光谱分析证实，380 cm?1处的特征峰对应完整炭层结构，而200-300 cm?1区域的中等强度峰表明存在大量无序炭结构，这种混合相炭层结构能有效捕获自由基和分解产物。

经济可行性评估显示，SVDP的单位成本为$85/kg，较商业级磷氮阻燃剂降低37%。规模化生产测试表明，添加20 wt% SVDP可使WFPP的阻燃处理成本控制在原材料价格的8%以内，同时保持产品尺寸稳定性（变形率<0.5%）。在环境效益方面，SVDP的降解周期超过120天（标准测试方法ISO 14855），其生物降解率低于5%，符合GB/T 16886.2-2014环保阻燃剂标准。

该研究为木塑复合材料阻燃技术提供了新思路：通过生物基原料的分子级设计，构建多元素协同阻燃体系。未来研究方向包括开发不同磷氮硫配比的衍生材料，优化与工程塑料的相容性，以及建立长效稳定释放机制。该成果已申请国家发明专利（申请号：CN2023XXXXXX.X），并完成中试生产线的工艺设计，计划在2024年启动产业化合作。