基于MXene硬模板的聚磷腈核壳结构协同提升不饱和聚酯树脂复合材料的韧性与阻燃性能

针对不饱和聚酯树脂(UPR)易燃脆弱的瓶颈问题，研究人员创新性地以Ti3C2Tx MXene为硬模板构建聚磷腈(PPZ)核壳阻燃剂Ti3C2Tx@PPZ。该设计通过纳米技术增韧与协同阻燃机制，使UPR复合材料在0.5 wt%添加量下冲击强度提升179%，2 wt%添加时峰值热释放率(PHRR)降低54.2%，开创性地将共价有机框架(COFs)设计理念引入阻燃体系。

　　

不饱和聚酯树脂(UPR)凭借优异的加工性能和化学惰性，在汽车、航空航天等领域创造着135亿美元的年产值。然而其交联网络中密布的聚苯乙烯链段如同潜伏的火药库，不仅遇火即燃，脆弱的分子结构更让材料在冲击载荷下不堪一击。更棘手的是，传统阻燃剂往往顾此失彼——提升阻燃性时牺牲机械性能，而增韧改性又可能加剧燃烧风险。这种"鱼与熊掌"的困境，正是中国石油大学(北京)的Yifan Zhou团队决心攻克的科学难题。

研究人员独辟蹊径，将材料学界的两个"明星"——二维材料MXene(Ti₃C₂Tx)和环三磷腈衍生物(HCCP)进行分子级组装。就像为坚硬的钛碳片穿上有机"防护服"，通过沉淀聚合法构建出核壳结构的Ti₃C₂Tx@PPZ阻燃剂。其中MXene核心在高温下能自发形成迷宫般的阻隔网络，而聚磷腈外壳裂解产生的磷化物与MXene衍生的TiO₂协同催化成炭，最终形成覆盖着钛焦磷酸盐(TiP₂O₇)玻璃层的致密炭层。这种"物理-化学"双保险的设计理念，让材料在《Polymer Degradation and Stability》期刊上展现了惊人性能。

研究团队采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)确认了MXene的蝉翼状纳米片结构及其被聚磷腈均匀包覆的核壳形貌。通过锥形量热测试发现，2 wt%添加量使复合材料峰值热释放率骤降54.2%，CO生成量同步降低。更令人振奋的是，仅0.5 wt%的添加就使冲击强度飙升至10.9 MPa，达到纯UPR的2.79倍。这种"四两拨千斤"的效果源于PPZ-COFs表面丰富的有机官能团改善了界面相容性，而MXene的二维结构在基体中形成纳米增强网络。

在结论部分，作者强调这项工作首次将共价有机框架的设计原理融入阻燃体系架构。Ti₃C₂Tx@PPZ通过多重协同效应实现了"阻燃-增韧"的完美平衡：MXene的热稳定性与PPZ的催化成炭能力互补，有机外壳的无定形区吸收冲击能量，而无机核心维持结构完整性。这种"1+1>2"的策略为开发新一代高效多功能阻燃剂提供了范式，尤其对航空航天领域亟需的轻量化阻燃材料具有重要启示。正如审稿人所言，该研究"重新定义了有机-无机杂化材料性能优化的边界"。