双管齐下：氢氧化铝/磷系阻燃剂协同增效天然废纤维生物复合材料的阻燃性能研究

为解决生物基聚合物材料阻燃性能不足及高填充量导致力学性能下降的问题，研究人员开展氢氧化铝(ATH)与磷系阻燃剂(P-FR)协同增效的研究，通过皮革废纤维(SLF)增强热塑性淀粉(TPS)复合材料，实现UL-94 V-0级阻燃且降低ATH填充量至73 phr，同时保持材料可降解性，为可持续阻燃材料开发提供新思路。

　　

随着全球对可持续材料的迫切需求，生物基聚合物如热塑性淀粉(TPS)正逐步替代石油基塑料。然而，这类材料在阻燃性能上的短板制约了其在电子电气等高端领域的应用。传统阻燃剂氢氧化铝(ATH)虽环保但需高填充量(60%以上)，导致材料脆化、加工困难。更棘手的是，阻燃效率与力学性能往往此消彼长，如何破解这一"阻燃困境"成为学界焦点。

墨西哥莱昂当地制革工业(León, Mexico)的研究团队独辟蹊径，将皮革加工废料——皮革纤维(SLF)与ATH/磷系阻燃剂联用，构建了"三合一"协同阻燃体系。他们发现，胶原蛋白丰富的SLF不仅能增强材料，其分解产生的NH₃和CO₂可稀释可燃气体，而ATH释放的水蒸气能冷却燃烧区，磷系化合物则在气相捕获自由基。这种多模式协同机制使复合材料在保持V-0级阻燃的同时，将ATH用量从90 phr降至73 phr。

研究采用熔融共混-注塑成型制备样品，通过扫描电镜(SEM)观察微观形貌，流变仪分析黏弹性，热重-红外联用(TG-FTIR)研究热解行为，并结合锥形量热仪和UL-94测试评估燃烧性能。

【形态与流变特性】SEM显示DPOP处理的样品断裂面呈现韧性特征，而ZnPi导致脆性断裂。流变学数据表明，7 phr DPOP与73 phr ATH组合的复合材料呈现独特的U型van Gurp-Palmen曲线，表明填料分散良好，熔体黏度降低30%，显著改善加工性能。

【热解行为】TG分析揭示DOPO-B在317°C分解，与PBAT的404°C分解峰部分重叠，促进炭层形成。COMP/76ATH/14DOPO-B的残炭量达36.2%，远超理论计算值28%，证实磷-铝协同促进成炭。

【燃烧性能】锥形量热测试中，COMP/73ATH/7DPOP的热释放速率峰值(pHRR)降至248 kW/m²，FIGRA指数降低53%。尤为突出的是，该配方在UL-94测试中仅用80 phr总阻燃剂即达V-0级，而传统ATH体系需100 phr。

【力学性能】DPOP的增塑作用使材料断裂伸长率提升至11%，较纯ATH体系提高53%。但ZnPi体系因填料团聚导致拉伸强度下降34%，揭示阻燃剂-基体界面相容性的关键作用。

这项发表于《Polymer Testing》的研究开创性地将工业废料转化为高性能阻燃材料的增强组分，通过多组分协同效应实现"减量增效"。其意义不仅在于开发出LOI达31.5 vol.%的可降解复合材料，更构建了"废物增值-性能优化-环境友好"的创新链条。特别是DPOP与ATH的黄金配比(7:73)，为平衡阻燃性、力学性能和加工性能提供了普适性方案，有望推动生物基材料在汽车内饰、电子外壳等领域的商业化应用。未来研究可聚焦于界面改性剂开发，进一步解决高填充体系的脆化难题。