气相阻燃-机械协同增强热塑性聚氨酯弹性体/硼酸铜复合材料的协同机制

【编辑推荐】针对传统成炭型阻燃剂损害热塑性聚氨酯(TPU)机械性能的难题，研究人员开发了基于硼酸与铜离子的气相阻燃剂CCu@B。该材料在200°C低温释放CO2，350°C催化聚氨酯键断裂重组，使TPU/2wt% CCu@B的热释放峰值降低77.6%，总烟产量减少78.2%，同时提升机械性能，为绿色阻燃剂设计提供新范式。

　　

热塑性聚氨酯(TPU)因其优异的弹性和加工性能，在新能源汽车、电子元件等领域广泛应用，但高度易燃的特性使其燃烧时释放大量热量和有毒烟雾，成为重大安全隐患。传统阻燃方案依赖成炭机制，需添加20-30wt%阻燃剂，虽能形成隔热炭层，却严重损害TPU的机械性能，且在高温下炭层保护失效，产生有毒一氧化碳。更棘手的是，这类阻燃剂往往伴随复杂的加工工艺和环境污染物排放。如何在不牺牲材料性能的前提下实现高效阻燃，成为横亘在科研人员面前的"不可能三角"。

针对这一挑战，来自山东的研究团队独辟蹊径，开发了一种基于纯气相作用机制的新型阻燃剂CCu@B。该材料通过简单的溶液反应合成，以硼酸和铜离子为活性单元。研究发现，仅需添加2wt%的CCu@B即可使TPU复合材料的热释放速率峰值骤降77.6%，总烟产量减少78.2%，远超传统阻燃剂效果。更令人惊喜的是，材料的拉伸强度和断裂伸长率同步提升，打破了阻燃与机械性能此消彼长的传统认知。相关成果发表在《Polymer Degradation and Stability》上，为绿色阻燃材料设计提供了全新思路。

研究采用X射线衍射(XRD)确认CCu@B的晶体结构，通过热重-红外联用(TGA-FTIR)分析其热分解行为，结合锥形量热测试评估阻燃性能，并利用万能试验机测定力学性能。

Characterization of additives
XRD图谱显示CCu@B在2θ=35.6°处出现CuB₂O₄特征峰，证实硼酸与Cu²⁺成功反应。TGA显示材料在200-350°C分解释放CO₂，提前消耗燃烧所需氧气。

Flame retardant performance
锥形量热测试表明，TPU/CCu@B的热释放速率峰值从842 kW/m²降至188 kW/m²，烟生成速率降低78.2%。TG-IR证实材料有效抑制异氰酸酯等可燃挥发分的产生。

Mechanical properties
添加2wt% CCu@B的TPU拉伸强度提升21.7%，断裂伸长率增加15.3%，归因于铜离子与TPU硬段间配位作用形成的交联网络。

Conclusion
该研究开创性地提出"提前消耗燃料-阻断自由基链反应"的双气相协同机制：CCu@B在200°C低温阶段释放CO₂稀释氧气，350°C催化TPU硬段提前降解重组，减少可燃物生成。不同于传统炭层依赖型阻燃剂，这种"釜底抽薪"式的阻燃策略在燃烧源头切断反应链，同时规避了高添加量导致的性能劣化问题。

CRediT authorship contribution statement
第一作者Biyu Huang完成概念设计、数据分析和论文撰写，通讯作者Chuanmei Jiao指导研究方向，Lei Liu参与论文修订，团队其他成员分别贡献实验测试和数据处理。

这项研究不仅为TPU阻燃提供了革命性解决方案，其揭示的气相协同机制更可拓展至其他高分子材料体系。CCu@B的简易合成工艺和绿色特性，使其具备工业化应用潜力，有望推动阻燃材料从"被动防护"到"主动抑制"的范式转变。