分子设计哌嗪衍生物基高性能苯乙烯热塑性弹性体：高模量、阻燃与相容性的协同突破

针对传统磷氮阻燃剂在苯乙烯热塑性弹性体(TPS)中阻燃效率低、相容性差的问题，研究人员通过离子交换法合成含P-C/P-O结构的哌嗪基二乙基次膦酸-磷酸盐(PDHP)单分子阻燃剂。该材料在25 wt%添加量下使TPS通过UL-94 V-0级，热释放率峰值(PHRR)降低77.6%，弹性模量提升2倍，分子动力学模拟揭示了其优异相容性，为高性能阻燃TPS复合材料设计提供了新思路。

　　

随着新能源、轨道交通等新兴领域的快速发展，被称为"第三代橡胶"的苯乙烯热塑性弹性体(TPS)因其优异的综合性能获得广泛应用。然而TPS高度易燃的特性却成为重大安全隐患——燃烧时不仅产生大量熔滴和浓烟，更导致电子设备火灾频发。传统磷氮阻燃剂虽能改善TPS的阻燃性，但普遍存在添加量高(>30 wt%)、机械性能骤降(如拉伸强度下降44.5%)以及因极性差异导致的相容性差等问题，严重制约着高性能阻燃TPS复合材料的发展。

针对这一技术瓶颈，中国的研究团队创新性地设计出含P-C/P-O双结构的哌嗪基二乙基次膦酸-磷酸盐(PDHP)单分子阻燃剂。通过离子交换和复盐形成反应，将气相自由基捕获(P-C)与凝聚相催化成炭(P-O)功能集成于同一分子结构中，同时末端乙基结构显著提升了与TPS基体的相容性。相关成果发表在《Polymer Degradation and Stability》期刊，为阻燃材料领域带来重要突破。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振(NMR)表征PDHP分子结构，通过极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)和锥形量热(CONE)测试评估阻燃性能，结合热重-红外联用(TG-IR)和扫描电镜(SEM)分析阻燃机理，并运用分子动力学模拟揭示相容性机制。

【结构表征】FTIR谱图中1476 cm^-1(P-C)、1028 cm^-1(P-O)和1104 cm^-1(P=O)特征峰证实PDHP成功合成。³¹P NMR显示8.2 ppm和-10.4 ppm化学位移分别对应磷酸盐和次膦酸盐结构。

【阻燃性能】含25 wt% PDHP的TPS复合材料通过UL-94 V-0级，LOI从17%提升至27.6%。锥形量热显示峰值热释放率(PHRR)和总热释放量(THR)分别降低77.6%和18.3%，燃烧过程中形成的致密炭层有效阻隔热质传递。

【机理分析】TG-IR检测到PO·、PO₂·等含磷自由基，证实PDHP通过气相机理捕获H·/OH·自由基；残炭拉曼光谱中1360 cm^-1(D峰)与1580 cm^-1(G峰)强度比(ID/IG=3.25)表明其催化形成高度石墨化炭层。

【机械性能】弹性模量达纯TPS的2倍，拉伸强度保持率显著优于文献报道值。分子动力学模拟显示PDHP与TPS的溶解度参数差(Δδ=1.03)远小于传统阻燃剂，从分子层面解释其优异相容性。

【结论与意义】该研究首次实现单分子阻燃剂在25 wt%低添加量下同时满足TPS的高效阻燃与力学性能保持。PDHP通过"气-固"双相协同机制：P-C结构捕获自由基中断燃烧链式反应，P-O结构促进致密炭层形成，末端乙基则实现分子级相容。相比已报道的AlPi/PPAP体系，TPS/PDHP复合材料在拉伸强度仅下降25.4%的情况下获得更优阻燃效果，为开发兼具安全性、机械性能和加工性能的新型弹性体材料提供了创新设计思路。该成果对新能源汽车电缆、电子器件包覆等需要严格防火标准的应用场景具有重要实践价值。