磷腈阻燃剂PNIM/PNDA的协同效应：提升环氧树脂阻燃抑烟性能与机械强度的创新研究

本研究针对环氧树脂(EP)易燃且燃烧释放大量热量和烟雾的问题，通过合成磷腈阻燃剂PNIM/PNDA，实现P/N协同阻燃效应。EP/DDM/PNDA-10复合材料达到UL-94 V-0级，LOI值34.3%，pHRR、THR和TSP分别降低68.7%、36.2%和35.7%，同时拉伸强度和冲击强度提升33.1%和131.4%，为高性能EP开发提供新策略。

　　

环氧树脂（EP）作为重要的热固性聚合物材料，在航空航天、电子电器等领域应用广泛，但其易燃特性（LOI≈23%）和燃烧时释放的有毒烟雾严重制约应用。传统卤素阻燃剂存在环境风险，而磷系阻燃剂虽高效却往往损害材料机械性能。如何实现阻燃性能与机械性能的协同提升，成为行业亟待解决的难题。

吉林省科技厅重点研发项目支持下，研究人员以六氯环三磷腈（HCCP）和咪唑（IM）为原料，通过一锅法合成新型磷腈阻燃剂PNIM及其衍生物PNDA。研究发现，EP/DDM/PNDA-10复合材料在UL-94测试中实现自熄并达到V-0级，极限氧指数（LOI）提升至34.3%。锥形量热测试显示，其峰值热释放速率（pHRR）、总热释放量（THR）和总烟产量（TSP）较纯EP分别降低68.7%、36.2%和35.7%，同时拉伸强度和冲击强度逆势增长33.1%和131.4%。该成果发表于《Polymer Degradation and Stability》，为开发高性能环氧树脂提供了新思路。

研究采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振（NMR）表征分子结构，通过差示扫描量热法（DSC）分析固化行为，结合热重分析（TGA）、动态力学分析（DMA）和万能试验机评估材料性能。阻燃机理研究表明：P/N协同效应促进形成含磷氮的致密炭层，在凝聚相阻隔热量传递；气相中PO·和PO₂·自由基捕获燃烧链式反应活性基团，非可燃性气体N₂/NH₃稀释氧气浓度，实现双重阻燃。

【结构分析】FT-IR证实PNIM成功保留P=N（1207 cm^-1）和咪唑环特征峰，³¹P NMR显示P-Cl键完全被取代。DSC显示PNIM可作为EP固化促进剂，与DDM协同降低固化活化能。

【阻燃性能】UL-94测试中EP/DDM/PNDA-10仅需10秒自熄，LOI值达34.3%。锥形量热显示其pHRR从975 kW/m²降至305 kW/m²，炭层残炭率提高217%，烟密度指数（SDI）降低42.8%。

【机械性能】DMA表明PNIM使EP玻璃化转变温度（T_g）提升12.3℃，冲击断面SEM显示明显韧性断裂特征，归因于咪唑环与EP基体的强界面相互作用。

该研究创新性地将磷腈骨架与咪唑结构结合，突破传统阻燃剂"增效必损强"的困境。PNIM兼具固化促进功能，其分解温度（280℃）与EP热降解区间匹配，实现阻燃-增强协同效应。所提出的P/N协同机理为设计环境友好型阻燃材料提供理论依据，在航空航天复合材料、电子封装等领域具有重要应用前景。研究获得中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室开放基金支持，相关技术已申请专利保护。