全生物质界面工程：基于层层自组装构建阻燃高强碳纤维增强环氧树脂复合材料

针对碳纤维增强环氧树脂(CFRP)易燃性导致的火灾风险问题，研究人员通过环保的层层自组装(LbL)技术将壳聚糖/植酸(CS/PA)生物质涂层沉积于碳纤维表面，制备出兼具优异阻燃性(LOI 31.0%、UL-94 V-0级)和力学性能(弯曲强度507.6 MPa)的CS/PA@CFRP复合材料，其残炭量较对照组提升229.94%，热释放速率(PHRR)降至187.59 kW/m2，为绿色高性能工程材料开发提供新策略。

　　

碳纤维增强环氧树脂(CFRP)因其高强度、轻量化特性成为航空航天、新能源等领域的关键材料，但环氧树脂(EP)固有的易燃性(LOI约21%)及燃烧时的"烛芯效应"导致重大火灾隐患。传统阻燃改性方法如添加型阻燃剂会损害材料力学性能，反应型阻燃则存在污染风险。如何通过绿色工艺实现CFRP阻燃-力学性能协同提升，成为制约其安全应用的核心难题。

江苏某高校研究团队创新性地采用层层自组装(LbL)技术，将天然生物质材料壳聚糖(CS)与植酸(PA)交替沉积于碳纤维布表面，构建CS/PA纳米涂层，再通过手糊成型法制备阻燃CFRP复合材料(CS/PA@CFRP)。研究通过热重分析(TGA)、锥形量热(CONE)、极限氧指数(LOI)测试及力学性能评估系统探究其性能，成果发表于《Polymer Degradation and Stability》。

关键技术包括：1) Tris-HCl缓冲液调控的LbL自组装工艺构建CS/PA纳米涂层；2) 真空辅助手糊成型法制备复合材料；3) 综合运用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)分析界面特性；4) 锥形量热与热重联用评估阻燃机理。

表面形貌
SEM显示经1BL(双分子层)处理的碳纤维单丝间出现明显黏连，XPS证实P2p峰(133.5 eV)和N1s峰(399.8 eV)的出现，验证CS/PA成功沉积。10BL涂层使纤维表面粗糙度显著增加，促进与EP的机械互锁。

热稳定性
TGA表明CS/PA@CFRP在空气和N₂
氛围下残炭量分别提升229.94%和263.67%，800°C时空气氛围残炭率达27.3%，远高于对照组8.3%。DTG曲线显示最大热失重速率温度推迟23°C，证明涂层有效延缓基体分解。

阻燃性能
CS/PA@CFRP达到UL-94 V-0等级，LOI值提升至31.0%。锥形量热显示其PHRR(187.59 kW/m2)、总热释放(THR, 32.95 MJ/m2)和总烟产量(TSP, 9.02 m2)较对照组降低46.8%、41.2%和52.1%，CO生成峰值下降62.3%。残炭的致密炭层发挥物理屏障作用，PA促进形成磷酸炭层，CS的含氮气体稀释可燃物。

力学性能
界面改性使CS/PA@CFRP弯曲强度达507.6 MPa，拉伸强度提升至633.3 MPa。界面剪切强度(IFSS)测试显示涂层增加纤维表面能，通过"钉扎效应"增强纤维-树脂结合力。

该研究开创性地将全生物质阻燃体系与LbL技术结合，实现CFRP阻燃-力学性能的协同优化。CS/PA涂层通过气相-凝聚相协同阻燃机制发挥作用：PA促进炭层形成，CS释放不可燃气体，而LbL工艺精确控制的纳米结构维持了材料界面完整性。这种绿色改性策略为开发新一代多功能工程材料提供范式，其生物质原料可降解特性更符合可持续发展需求。研究团队特别指出，该方法无需复杂设备，适合规模化生产，在新能源汽车电池壳体、航天器内饰等防火安全敏感领域具有重大应用前景。