聚苯硫醚合金化与碳纤维协同增强聚碳酸酯制备高性能阻燃复合材料的机理与力学性能研究

针对碳纤维增强聚碳酸酯(PC)复合材料在薄壁应用中阻燃性能不足的问题，研究人员通过引入聚苯硫醚(PPS)与短切碳纤维(SCF)协同作用，系统研究了20PPS/6SCF/PC复合材料的阻燃机制与力学性能。结果表明，PPS与SCF的协同效应使材料在1.6 mm厚度下通过UL94 V-1评级，极限氧指数(LOI)达33.0%，同时显著提升残炭保留率和弯曲刚度，为高性能阻燃工程塑料开发提供了新策略。

　　

随着工程塑料在高端装备领域的广泛应用，聚碳酸酯(PC)因其优异的力学性能和透光性成为发展最快的工程塑料之一。然而，碳纤维增强PC复合材料(CFRP)在薄壁应用中面临严峻的防火安全挑战——虽然6%短切碳纤维(SCF)可使3.2 mm厚样品通过UL94 V-0评级，但当厚度降至1.6 mm时仅能达到V-2级，且存在熔滴问题。这一瓶颈严重制约了PC基复合材料在电子电器、交通运输等领域的应用。

为解决这一难题，来自中国的研究团队创新性地将具有本征阻燃特性的聚苯硫醚(PPS)与SCF协同引入PC基体。通过系统研究复合材料的燃烧行为、热分解过程和力学性能，发现PPS与SCF产生协同阻燃效应：20PPS/6SCF/PC不仅使1.6 mm薄样通过UL94 V-1评级，极限氧指数(LOI)提升至33.0%，还显著改善了残炭质量和抗熔滴性能。热重-红外联用(TG-IR)和扫描电镜(SEM)分析揭示，PPS促进形成致密炭层，而SCF增强炭层骨架结构，二者共同抑制热解挥发物释放。力学测试显示，PPS与SCF对复合材料弯曲刚度具有加和增强效应。该研究发表于《Polymer Degradation and Stability》，为开发兼具优异阻燃性和力学性能的PC基复合材料提供了理论依据和技术路径。

关键技术方法包括：通过熔融共混制备PPS/SCF/PC复合材料；采用极限氧指数(LOI)测试和UL94垂直燃烧评价阻燃性能；利用锥形量热仪测定热释放速率(pk-HRR)；结合热重分析(TGA)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)研究热解行为；通过三点弯曲试验评估力学性能。

【抗点燃与自熄性能】
SCF单独添加时，6SCF/PC的LOI达30.0%，3.2 mm样品通过UL94 V-0，但1.6 mm样品降级至V-2。引入20%PPS后，20PPS/6SCF/PC在1.6 mm下通过V-1级，LOI提升至33.0%，且成功抑制熔滴。锥形量热显示复合材料峰值热释放率(pk-HRR)降低46%。

【残炭行为与阻燃机制】
TGA表明PPS促进高温区成炭，800°C时20PPS/6SCF/PC残炭率达28.5%。SEM显示PPS/SCF协同形成连续致密炭层，FTIR证实炭层有效阻隔可燃气体扩散。

【力学性能】
三点弯曲试验显示20PPS/6SCF/PC弯曲模量达4.2 GPa，较纯PC提升135%，PPS与SCF在增强刚度方面呈现加和效应。

该研究证实PPS合金化与SCF增强的协同策略可突破PC基复合材料薄壁阻燃的技术瓶颈。通过调控多组分相互作用，实现了阻燃性能与力学性能的协同提升，为交通运输、电子电器等领域的高性能复合材料设计提供了新思路。特别值得注意的是，该工作首次系统阐明了PPS与SCF在PC基体中的协同阻燃机制，填补了该领域的研究空白。未来可进一步优化PPS/SCF配比，并探索其在其他工程塑料体系中的普适性。