隨著社會的不斷發(fā)展，化石燃料的消耗不斷增加，塑料污染持續(xù)存在，亟需可持續(xù)的材料解決方案。熱塑性聚氨酯（TPU）憑借其優(yōu)異的可回收性、更長的使用壽命和優(yōu)異的機械性能，在電子、汽車和建筑領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，TPU固有的易燃性——表現(xiàn)為燃燒過程中嚴重的熔滴現(xiàn)象和有毒煙霧排放，限制了其進一步發(fā)展。因此，增強TPU的阻燃性能對于擴大其應(yīng)用范圍具有重要意義。
近年來，磷系阻燃劑因其高效、低毒氣體釋放且能抑制熔滴等特性受到廣泛關(guān)注。其中，聚磷酸銨（APP）憑借高磷/氮含量與多重阻燃機制，已成為該領(lǐng)域的主導(dǎo)品類。然而，聚磷酸銨（APP）與TPU之間的相容性較差，往往會損害復(fù)合材料的機械性。因此，研究人員致力于開發(fā)新型高效的阻燃TPU體系。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室的研究人員通過殼聚糖（CS）與鈰離子（Ce³⁺）在聚磷酸銨（APP）表面的靜電自組裝，開發(fā)出一種新型生物基阻燃劑APP@CS-Ce。該核殼結(jié)構(gòu)以生物質(zhì)源殼聚糖作為碳源，協(xié)同利用稀土鈰（Ce³⁺）的催化成炭和自由基淬滅功能。
研究人員將殼聚糖（CS）的可再生碳源特性與Ce³⁺的多重催化功能融合到TPU阻燃體系中，通過靜電自組裝與離子螯合策略，制備了新型阻燃劑APP@CS-Ce。首先，將殼聚糖（CS）在乙酸溶液中質(zhì)子化形成帶正電的聚電解質(zhì)，繼而利用靜電自組裝將鈰離子吸附至帶負電的聚磷酸銨（APP）表面，同時鈰離子與殼聚糖的氨基（-NH）和羥基（-OH）發(fā)生螯合，最終構(gòu)建出APP@CS-Ce阻燃劑。將APP@CS-Ce與TPU共混后，系統(tǒng)評估了TPU復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性、阻燃性能、抑煙性能及力學(xué)性能，并深入探究了界面結(jié)合機制與抑煙阻燃機理。
研究發(fā)現(xiàn)，僅添加15%的APP@CS-Ce即可使TPU復(fù)合材料達到UL-94 V-0等級，極限氧指數(shù)（LOI）達27.6%。炭殘留量從0.5wt%（純TPU）飆升至24wt%，而峰值熱釋放速率（PHRR）和總煙釋放量（TSP）分別降低76%和61%。尤為關(guān)鍵的是，一氧化碳釋放量減少45%，證實了有效的毒性抑制。鈰離子進一步促進了炭層的石墨化并催化CO向CO？轉(zhuǎn)化，從而增強阻隔性能與燃燒效率。與傳統(tǒng)添加劑不同，APP@CS-Ce因界面相容性改善，在保持力學(xué)完整性方面表現(xiàn)優(yōu)異，斷裂伸長率僅下降0.5%。該研究展示了一種結(jié)合生物質(zhì)資源與稀土催化的可持續(xù)高性能阻燃策略，為新一代TPU應(yīng)用提供了新途徑。
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