硅酮大分子成炭剂与聚磷酸铵协同提升乙烯-丙烯酸丁酯共聚物复合材料的阻燃与力学性能

针对电缆护套材料阻燃性与力学性能难以平衡的难题，研究人员创新性地设计了一种含硅大分子成炭剂（Si-MCA）与聚磷酸铵（APP）的膨胀型阻燃体系（IFR），通过协同作用显著提升乙烯-丙烯酸丁酯共聚物（EBA）复合材料的LOI（31.2%）、UL-94 V0级阻燃性及76.4%的热释放速率峰值（PHRR）降低率，同时利用马来酸酐接枝聚乙烯（PE-g-MA）改善力学性能，为高性能电缆材料开发提供新策略。

　　

电缆作为能源传输的“血管”，其护套材料的性能直接关乎电网安全与公共安全。然而，传统聚合物护套如聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等存在先天易燃缺陷，一旦起火不仅导致供电中断，更会释放有毒烟雾威胁生命。尽管无机阻燃剂如氢氧化镁（Mg(OH)₂）能提升阻燃性，但需添加高达60 wt%才能达到UL-94 V0级，严重牺牲材料柔韧性和强度。如何实现阻燃与力学性能的“双赢”，成为材料科学领域的“卡脖子”难题。

山东大学的研究团队独辟蹊径，将自研的含硅大分子成炭剂（Si-MCA）与传统阻燃剂聚磷酸铵（APP）联用，通过精确调控比例（APP/Si-MCA=3/1），在乙烯-丙烯酸丁酯共聚物（EBA）中构建了高效膨胀型阻燃体系（IFR）。该成果发表于《Journal of Polymer Materials》，揭示了硅-磷协同的多重阻燃机制：气相中APP分解产生的PO•自由基淬灭火焰活性基团，Si-MCA则促进形成致密炭层；凝聚相中二者通过酯化反应生成P-O-Si交联网络，隔绝热量与氧气。

研究采用熔融共混法制备复合材料，关键技术包括：锥形量热仪（CCT）量化燃烧参数，热重-红外联用（TGA-FTIR）解析气相产物，X射线光电子能谱（XPS）表征残炭元素组成，以及扫描电镜（SEM）观察炭层形貌。力学性能测试中引入PE-g-MA作为相容剂，显著改善填料分散性。

3.1 阻燃性能分析
通过LOI、UL-94和CCT测试发现，EBA/APP-Si-31的极限氧指数达31.2%，热释放峰值降低76.4%，且残炭量达22.1 wt%，远超单一APP体系（13.6 wt%）。TGA显示其最大分解温度（T_max）比纯EBA提升9.6°C，证明协同效应提升热稳定性。

3.2 阻燃机制解析
TGA-FTIR检测到EBA/APP-Si-31的气相产物中P=O（958 cm^?1）特征峰，证实磷自由基的淬灭作用。SEM显示其残炭为连续无孔结构，而APP体系炭层存在裂纹。XPS检测到Si2p峰，FTIR进一步检出C=N（1641 cm^?1）和Si-O（478 cm^?1），表明硅-磷协同促成致密炭层。

3.3 力学性能优化
添加PE-g-MA的EBA/APP-Si-31拉伸强度达4.65 MPa，比未加相容剂体系提升22%。断裂伸长率344.9%证明材料兼具刚性与韧性，满足电缆护套的机械需求。

该研究不仅为EBA复合材料在电缆领域的应用扫清技术障碍，更开创了硅-磷协同阻燃的新范式。通过分子设计实现气相-凝聚相双效阻燃，同时以相容剂技术破解填料分散难题，为其他高分子材料的性能优化提供了普适性策略。未来可通过调控Si-MCA分子结构进一步降低添加量，推动绿色阻燃材料的产业化进程。