高耐热线性聚磷腈实现环氧树脂复合材料的燃烧安全与抑烟性能提升

为解决环氧树脂(EP)易燃且燃烧时产生大量烟雾的问题，研究人员设计合成了一种基于磷氮协同作用的线性聚磷腈(PDCPene)阻燃剂。通过核磁共振(NMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征证实其结构，10wt%添加量可使EP复合材料的冲击强度提升85.1%，拉伸强度提高11.0%，断裂伸长率增加16.4%。20wt%添加量达到UL-94 V-0级阻燃标准，极限氧指数(LOI)达29.0；25wt%添加量使峰值热释放率(p-HRR)、总热释放量(THR)和生烟率(SPR)分别降低50.4%、32.8%和67.8%。该研究为开发兼具优异力学性能和阻燃性能的EP复合材料提供了新思路。

　　

环氧树脂(EP)作为三大热固性树脂之一，因其优异的机械性能、粘接性能和化学稳定性，被广泛应用于航空航天、电子封装、风力发电等领域。然而，传统双酚A型环氧树脂(DGEBA)存在两大致命缺陷：高度易燃且燃烧时产生大量有毒烟雾，这已成为造成火灾伤亡的主要因素；同时其高交联密度导致材料脆性大，限制了在高性能领域的应用。虽然传统卤系阻燃剂效果显著，但因其环境毒性已被逐步淘汰，开发高效环保的新型阻燃体系迫在眉睫。

中国科学技术大学的研究人员创新性地设计合成了一种基于线性聚二氯磷腈(PDCP)骨架的高耐热阻燃剂PDCPene。该研究通过精确调控分子结构，将磷(P)氮(N)协同阻燃元素与柔性主链相结合，成功实现了环氧树脂复合材料阻燃性能和力学性能的同步提升。相关成果发表在《Polymer Degradation and Stability》上。

研究采用核磁共振(NMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)进行结构表征，通过垂直燃烧(UL-94)、极限氧指数(LOI)和锥形量热(CONE)测试评价阻燃性能，结合动态热机械分析(DMA)和万能材料试验机评估力学性能，并利用热重分析(TGA)研究热稳定性。

【合成与表征】部分证实，以PDCP为骨架、羟乙基丙烯酸酯为亲核试剂成功合成了PDCPene。31P NMR显示PDCPene的特征峰出现在-0.5ppm，与原料HCCP的20.0ppm相比发生显著位移；FTIR中1720cm^-1处出现酯基特征峰，证实了目标产物的形成。

【力学性能】研究表明，添加10wt% PDCPene的复合材料(PDCPene-10%/EP)冲击强度达18.7kJ/m²，较纯EP提高85.1%；拉伸强度和断裂伸长率分别为50.56MPa和14.2%，提升11.0%和16.4%。这归因于PDCPene中丙烯酸酯双键与环氧基团的加成反应增加了交联密度，同时其柔性P-N主链赋予材料橡胶般的韧性。

【阻燃性能】部分显示，PDCPene-20%/EP达到UL-94 V-0级，LOI值升至29.0%；PDCPene-25%/EP的p-HRR、THR和SPR分别降至587kW/m²、60.4MJ/m²和8.7m²，降幅达50.4%、32.8%和67.8%。热重分析表明PDCPene促进了致密炭层的形成，800℃残炭量显著增加。

【结论】部分指出，PDCPene通过三重机制发挥作用：(1)P-N元素协同促进气相自由基淬灭和凝聚相成炭；(2)丙烯酸酯基团参与交联网络增强力学性能；(3)柔性主链改善材料韧性。该研究不仅开发出性能优异的阻燃EP复合材料，更为设计多功能一体化高分子材料提供了新思路。Guangyong Jiang等研究人员的工作证明，通过分子结构精准设计可同时解决环氧树脂易燃和脆性大的技术难题，对推动高性能聚合物材料的工程应用具有重要意义。