沸石咪唑酯骨架结构多样性在热塑性聚氨酯中的防火性能研究：集成燃烧测试与层次化安全评估

为解决热塑性聚氨酯(TPU)易燃且燃烧释放大量有毒烟雾的问题，研究人员通过调控沸石咪唑酯框架(ZIFs)的晶体形态和金属节点组成，制备了六种纳米ZIFs/TPU复合材料。系统评估表明，2 wt.% ZIF-8的TPU复合材料可降低21.91%峰值热释放率(pHRR)和43.20%总产烟量(TSP)，并通过层次分析法(AHP)建立16指标模型证实其最低火灾风险指数(0.8536)，为聚合物阻燃提供了形态学调控新视角。

　　

热塑性聚氨酯(TPU)作为一种性能优异的高分子材料，广泛应用于汽车、电子设备等领域，但其易燃特性导致火灾中快速释放热量和有毒烟雾，严重威胁生命财产安全。传统阻燃剂存在毒性高、添加量大等问题，亟需开发新型高效阻燃体系。沸石咪唑酯框架(ZIFs)因其可调控的孔结构和金属活性中心，在气体吸附和催化方面展现出独特优势，但其形态多样性对TPU阻燃性能的影响尚未系统研究。

长安大学地质工程与测绘学院的研究团队通过精准调控ZIFs的晶体形态（二维/三维）和金属节点组成（Zn/Co），制备了六种纳米ZIFs/TPU复合材料，结合锥形量热、热重分析和层次分析法(AHP)等综合评价体系，揭示了ZIFs结构特性与阻燃性能的构效关系。相关成果发表在《Polymer Testing》上。

研究采用溶剂热法合成六种ZIFs（ZIF-8、ZIF-67及四种二维ZIF-L），通过熔融共混制备TPU复合材料。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表征材料形貌与晶体结构，热重分析(TGA)评估热稳定性，锥形量热(CCT)测试燃烧行为，并结合TG-FTIR联用技术分析热解气体产物。创新性地建立包含16项指标的AHP模型量化火灾风险。

3.1 ZIFs结构表征

SEM显示ZIF-8和ZIF-67呈十二面体结构，四种ZIF-L分别呈现花状堆叠（ZIF-L1）、块状矩形（ZIF-L2）等二维形貌。XRD证实ZIF-L晶体平面间距大于ZIF-8，FTIR显示所有ZIFs在422 cm^-1处存在Zn/Co-N键特征峰。TGA表明ZIF-8在600°C残炭率最高（63.04 wt.%），显著优于ZIF-67（54.37 wt.%）。

3.2 热降解行为

TPU/ZIFs复合材料呈现单阶段热降解，催化作用使初始分解温度提前。ZIF-8复合材料残炭率达14.19 wt.%（纯TPU仅7.45%），金属含量与碳化能力呈负相关。

3.3 燃烧性能

CCT测试显示，TPU/ZIF-8的pHRR、TSP和pCO分别降低21.91%、43.20%和22.54%。二维ZIF-L1表现次优，而块状ZIF-L2因催化过度燃烧导致性能下降。SEM显示ZIF-8促进形成连续致密炭层，有效阻隔热量传递。

3.4 热解气体分析

TG-FTIR表明ZIF-8复合材料释放的烃类、羰基化合物等可燃气体最少，ZIF-L1次之。ZIF-L2因促进TPU完全燃烧导致CO₂释放量最高。

4. 火灾风险评估

建立的AHP模型将火灾风险划分为毒性风险（权重最高）、烟雾风险等6个一级指标。TPU/ZIF-8综合火灾风险指数最低（0.8536），较纯TPU降低14.64%。

5. 阻燃机制

研究提出物理-化学协同阻燃机制：1）ZIFs的Lewis酸性金属节点（Zn²⁺/Co²⁺）催化TPU脱水碳化；2）二维ZIF-L的层状结构增强炭层屏障效应；3）多孔结构吸附有毒气体；4）Zn²⁺侧重催化碳化，Co²⁺倾向气相自由基捕获。

该研究首次整合ZIFs形态多样性与AHP模型，为聚合物阻燃剂设计提供了形态学调控新策略。ZIF-8在2 wt.%低添加量下即可实现多重防火性能提升，具有重要工程应用价值。建立的16指标火灾风险评估体系，为阻燃材料性能量化提供了方法论参考。