生物基壳聚糖+铈离子+聚磷酸铵 研究人员实现TPU的高效阻燃和抑烟

随着社会的不断发展，化石燃料的消耗不断增加，塑料污染持续存在，亟需可持续的材料解决方案。热塑性聚氨酯（TPU）凭借其优异的可回收性、更长的使用寿命和优异的机械性能，在电子、汽车和建筑领域备受关注。然而，TPU固有的易燃性——表现为燃烧过程中严重的熔滴现象和有毒烟雾排放，限制了其进一步发展。因此，增强TPU的阻燃性能对于扩大其应用范围具有重要意义。

近年来，磷系阻燃剂因其高效、低毒气体释放且能抑制熔滴等特性受到广泛关注。其中，聚磷酸铵（APP）凭借高磷/氮含量与多重阻燃机制，已成为该领域的主导品类。然而，聚磷酸铵（APP）与TPU之间的相容性较差，往往会损害复合材料的机械性。因此，研究人员致力于开发新型高效的阻燃TPU体系。

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的研究人员通过壳聚糖（CS）与铈离子（Ce³⁺）在聚磷酸铵（APP）表面的静电自组装，开发出一种新型生物基阻燃剂APP@CS-Ce。该核壳结构以生物质源壳聚糖作为碳源，协同利用稀土铈（Ce³⁺）的催化成炭和自由基淬灭功能。

研究人员将壳聚糖（CS）的可再生碳源特性与Ce³⁺的多重催化功能融合到TPU阻燃体系中，通过静电自组装与离子螯合策略，制备了新型阻燃剂APP@CS-Ce。首先，将壳聚糖（CS）在乙酸溶液中质子化形成带正电的聚电解质，继而利用静电自组装将铈离子吸附至带负电的聚磷酸铵（APP）表面，同时铈离子与壳聚糖的氨基（-NH）和羟基（-OH）发生螯合，最终构建出APP@CS-Ce阻燃剂。将APP@CS-Ce与TPU共混后，系统评估了TPU复合材料的热稳定性、阻燃性能、抑烟性能及力学性能，并深入探究了界面结合机制与抑烟阻燃机理。

研究发现，仅添加15%的APP@CS-Ce即可使TPU复合材料达到UL-94 V-0等级，极限氧指数（LOI）达27.6%。炭残留量从0.5wt%（纯TPU）飙升至24wt%，而峰值热释放速率（PHRR）和总烟释放量（TSP）分别降低76%和61%。尤为关键的是，一氧化碳释放量减少45%，证实了有效的毒性抑制。铈离子进一步促进了炭层的石墨化并催化CO向CO₂转化，从而增强阻隔性能与燃烧效率。与传统添加剂不同，APP@CS-Ce因界面相容性改善，在保持力学完整性方面表现优异，断裂伸长率仅下降0.5%。该研究展示了一种结合生物质资源与稀土催化的可持续高性能阻燃策略，为新一代TPU应用提供了新途径。