用于PET及其纤维的磷官能化Schiff碱阻燃剂：提升阻燃性能、抗滴落性和强度

《Polymer Degradation and Stability》：Phosphorus-functionalized Schiff base flame retardant for PET and its filaments: enhancing fire resistance, anti-dripping, and strength

聚酯抗滴落阻燃研究：开发磷-氮协同希夫碱阻燃剂HSCP，4%负载量实现完全抗滴落，8%负载量LOI达30.0%（V-0级），烟密度降低16.4%。通过双相阻燃机制（炭化层形成+自由基淬灭）协同抑制燃烧和滴落，氢键作用增强界面相容性，保持熔纺加工性能。

　　本文探讨了一种新型磷基 Schiff 基阻燃剂（HSCP）在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料中的应用。研究的重点在于如何通过提升阻燃剂的成炭能力和自由基淬灭效果，来改善 PET 的阻燃性能和防滴落特性。传统的 PET 材料在高温下容易发生熔融滴落，这不仅会引发二次燃烧，还会释放大量有毒烟雾，对安全性和环境造成严重影响。因此，开发高效的阻燃剂成为 PET 在工业应用中的关键课题。

PET 作为一种广泛应用的热塑性聚酯，因其优异的综合性能和成本效益，在包装、电子、建筑等行业中占据重要地位。然而，PET 的易燃性限制了其进一步的发展，尤其是在燃烧测试中，其极限氧指数（LOI）通常只有 20%~21%，且在 UL-94 测试中未获得评级。更严重的是，PET 在燃烧过程中会表现出明显的熔融滴落行为，这种现象在高温下尤为突出。因此，如何在不影响 PET 原有性能的前提下，有效抑制其燃烧和滴落行为，成为当前研究的重要方向。

为了改善 PET 的阻燃性能，研究者通常采用三种主要方法：化学共聚、物理共混和表面处理。其中，化学共聚和物理共混方法已经被广泛应用于阻燃剂的开发。例如，通过水浴法引入蒙脱石 Cloisite?15A 纳米颗粒可以显著提升 PET 纤维的阻燃性能。此外，通过表面处理，如采用 APA/CD 涂层系统，也可以有效改善 PET 的燃烧特性，使其达到 V-0 等级。然而，这些方法在实际应用中仍面临一些挑战，如洗涤牢度差和对织物手感的潜在影响。

近年来，磷基阻燃剂因其优异的阻燃性能和较低的毒性，逐渐成为卤素阻燃剂的替代品。磷基阻燃剂包括磷烷酸、磷酸盐和磷化物等，这些化合物在燃烧过程中能够形成稳定的成炭结构，从而有效抑制火焰的传播。例如，Hexachlorocyclotriphosphazene（HCCP）因其独特的 -P=N- 骨架结构，在阻燃剂的合成中表现出显著的成炭能力。HCCP 衍生物在环氧树脂和聚乳酸等材料中已被证实能够有效提升其阻燃性能。然而，在 PET 材料中，磷基阻燃剂的阻燃效果仍然有限，难以实现完全的防滴落性能。

为了克服这一难题，研究者开始探索将氮基化合物与磷基结构结合的方法。这种结合能够同时提升 PET 的阻燃性能和防滴落能力。例如，Wang 等人通过热诱导的 Schiff 基单元交联，发现其能够有效提升 PET 的熔融粘度和成炭率，同时抑制熔融滴落行为。然而，这种高浓度的添加剂会对 PET 的结晶性和机械性能造成显著影响。

因此，本文提出了一种新的磷基 Schiff 基阻燃剂（HSCP），其合成过程包括两个步骤：亲核取代反应和随后的缩合反应。HSCP 通过将磷基结构与 Schiff 基结构相结合，有效提升了 PET 的阻燃性能。在合成过程中，HCCP 的 P-Cl 键与 HB 的 -OH 基团发生亲核取代反应，生成 HBCP。随后，HBCP 的 -CHO 基团与 AP 的 -NH? 基团发生缩合反应，生成 HSCP。这种结构设计使得 HSCP 能够在 PET 中形成良好的界面相容性，从而保持 PET 的优良熔融纺丝性能。

通过实验验证，HSCP 在 PET 中的添加量仅为 4% 时，就显著提升了 PET 的防滴落性能。当添加量达到 8% 时，PET/HSCP8 的极限氧指数（LOI）达到了 30.0%，并达到了 V-0 等级，表现出优异的阻燃性能。此外，PET/HSCP8 的总烟雾量比未改性的 PET 减少了 16.4%，进一步证明了其在燃烧过程中能够有效抑制烟雾的产生。这种性能的提升主要归功于 HSCP 的双重作用机制，即成炭效应和自由基淬灭效应。

HSCP 的结构设计不仅提升了其阻燃性能，还确保了其在 PET 中的优良相容性。这种相容性使得 PET/HSCP8 能够通过熔融纺丝工艺成功制备出高质量的纤维，同时保持其良好的机械性能。因此，HSCP 的开发为 PET 在纺织品领域的应用提供了新的可能性。此外，HSCP 的合成过程采用了多种功能性基团，如羟基、氨基和 Schiff 基，这些基团能够通过形成分子内氢键与 PET 链结合，进一步提升其界面相容性。

通过实验验证，HSCP 在 PET 中的添加不仅提升了其阻燃性能，还有效抑制了熔融滴落行为。这表明，HSCP 的结构设计能够同时解决 PET 材料在燃烧过程中面临的阻燃与防滴落的双重挑战。因此，HSCP 的开发为 PET 在工业和纺织品领域的应用提供了重要的技术支持。

研究团队通过系统的研究，提出了 HSCP 的合成方法，并对其进行了结构表征。实验结果表明，HSCP 在 PET 中的添加能够有效提升其阻燃性能，同时保持其优良的熔融纺丝性能。这表明，HSCP 的结构设计能够满足 PET 在燃烧过程中的多重需求，为 PET 的改性提供了新的思路。

此外，HSCP 的开发还受到多项资助的支持，包括湖南省自然科学基金、湖南省教育厅重点课题、国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等。这些资助不仅为研究提供了必要的资源，也推动了 HSCP 在 PET 材料中的进一步研究和应用。

综上所述，本文通过设计一种新型磷基 Schiff 基阻燃剂（HSCP），有效提升了 PET 的阻燃性能和防滴落能力。HSCP 的结构设计结合了磷基和 Schiff 基的优势，使其能够在 PET 中形成良好的界面相容性，从而保持 PET 的优良熔融纺丝性能。这种结构设计不仅解决了 PET 材料在燃烧过程中面临的阻燃与防滴落的双重挑战，还为 PET 在工业和纺织品领域的应用提供了新的技术支持。因此，HSCP 的开发具有重要的工程和应用价值。