微胶囊化聚磷酸铵对聚氯乙烯的阻燃抑烟性能研究及其协同增效机制解析

针对增塑PVC复合材料易燃、发烟量大等问题，研究人员通过磷腈三聚体(HCCP)与对苯二胺(PPD)聚合形成网络化合物HP-DP，并以此微胶囊化聚磷酸铵(APP)制备APP@HP-DP阻燃剂。实验表明，添加9.5 wt% APP@HP-DP可使PVC复合材料极限氧指数(LOI)从23.1%提升至28.6%，热释放速率峰值(PHRR)和烟生成速率峰值(PSPR)分别降低47.2%和23.2%，且不影响力学性能。该研究为开发高效环保型阻燃材料提供了新思路。

　　

聚氯乙烯（PVC）作为产量最大的热塑性聚合物之一，凭借优异的耐酸碱、绝缘性和成本优势，广泛应用于建材、电缆、医疗器械等领域。然而，加工过程中需添加邻苯二甲酸二辛酯（DOP）等增塑剂改善柔韧性，这却导致材料易燃且燃烧时释放大量有毒烟雾。传统阻燃剂如氢氧化铝、三氧化二锑（Sb₂O₃）虽能提升阻燃性，但往往牺牲力学性能或存在环境风险。如何开发兼具高效阻燃、低烟无毒且不影响材料力学性能的新型阻燃体系，成为当前研究的关键挑战。

针对这一难题，湖北工程学院等机构的研究人员创新性地将磷腈三聚体（HCCP）与对苯二胺（PPD）通过缩聚反应构建网络结构化合物HP-DP，并以此为壳材对聚磷酸铵（APP）进行微胶囊化处理，制备出有机-无机杂化阻燃剂APP@HP-DP。该研究通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）等技术证实了HP-DP的成功合成及APP@HP-DP的核壳结构。将阻燃剂添加到PVC基体中后，复合材料在UL-94测试中达到V-0级，熔滴现象消失，极限氧指数提升22%，且拉伸强度与断裂伸长率保持不变。

材料制备与表征
研究采用界面聚合法，在碳酸钾催化下使HCCP的P-Cl键与PPD的氨基反应生成交联网络HP-DP。通过溶剂挥发法将HP-DP包覆于APP表面形成微胶囊结构。X射线光电子能谱（XPS）显示APP@HP-DP中P-N-C键的存在，证实了化学包覆效果。

热稳定性分析
TGA数据显示，APP@HP-DP的残炭率（700°C）达41.5%，较纯APP提高136%。HP-DP壳层在高温下分解生成磷酸和含氮气体，前者促进炭层形成，后者稀释可燃气体，形成气相-凝聚相双重阻燃机制。

阻燃性能测试
锥形量热测试表明，添加9.5 wt% APP@HP-DP的PVC复合材料，总热释放（THR）降低34.8%，烟密度指数（SDI）下降29.7%。扫描电镜（SEM）显示燃烧后形成连续致密的膨胀炭层，有效隔绝热量和氧气传递。

力学性能评估
与纯PVC相比，含APP@HP-DP的复合材料拉伸强度维持在28.7±0.8 MPa，断裂伸长率保持在312±15%，证明微胶囊化处理解决了APP与基体相容性问题。

该研究通过分子设计构建磷-氮协同阻燃体系，HP-DP网络结构既作为微胶囊壳层提升APP热稳定性，又在燃烧时催化成炭。APP@HP-DP的添加使PVC复合材料同时满足阻燃、抑烟和力学性能要求，为开发环境友好型高分子阻燃材料提供了重要参考。论文发表于《Progress in Natural Science: Materials International》，通讯作者为Fang-Chang Tsai和Ning Ma，第一作者Changbo Zhang与Rongke You对实验数据进行了系统分析。研究获得国家自然科学基金（52203161）等项目的支持，相关技术已申请专利保护。