新型香草醛基阻燃剂提升环氧树脂阻燃性能的机制研究与应用

推荐：本研究针对传统环氧树脂(EP)易燃且伴随熔滴和烟雾的问题，通过共混法引入含希夫碱结构的香草醛基阻燃剂(VHE)。当添加20 wt% VHE时，极限氧指数(LOI)提升至32.1%，通过UL-94 V-0级，总热释放量(THR)降低27.5%，最大烟密度下降40.1%。该生物基阻燃剂通过气相-凝聚相协同机制显著提升防火安全性，为聚合物阻燃改性提供新思路。

　　

环氧树脂(EP)作为广泛应用的热固性材料，在航空航天、电子电器等领域具有不可替代的地位。然而其高度易燃性（LOI仅25.2%）和燃烧时伴随的熔滴、浓烟问题，成为威胁生命安全的重大隐患。传统卤系阻燃剂虽有效但存在环境风险，而生物基阻燃剂因其可再生、低毒的特性成为研究热点。香草醛作为木质素衍生物，兼具醛基和羟基的可修饰性，中国民用航空飞行学院Maoyong Zhi团队创新性地利用其构建含柔性烷烃链和刚性希夫碱(-CH=N-)结构的阻燃剂VHE，通过简单共混法实现环氧树脂的高效阻燃改性。

研究采用热重分析(TGA)、极限氧指数(LOI)测试、锥形量热(CCT)和动态热机械分析(DMA)等技术。当VHE添加量达20 wt%时，材料性能发生显著变化：LOI提升至32.1%，通过UL-94 V-0评级；锥形量热显示总热释放(THR)从82.1 MJ/m²降至59.5 MJ/m²，平均有效燃烧热(av-EHC)降低13%；烟密度测试表明最大烟密度降低40.1%。

热稳定性分析显示，VHE10-EP90在800℃残炭率(CY₈₀₀)达31.5 wt%，较纯EP提升47%。扫描电镜(SEM)观察到改性EP残炭呈现致密蜂窝状结构，拉曼光谱证实其石墨化程度(I_D/I_G=2.96)优于纯EP(3.10)。这种结构通过希夫碱高温自交联形成，既能隔绝热量传递，又能吸附烟尘颗粒。力学测试表明，VHE10-EP90的拉伸强度(57.1 MPa)和冲击强度(26.0 kJ/m²)分别较纯EP提升11%和103%，归因于柔性链段增强分子链运动能力。

研究揭示了VHE的双重阻燃机制：在气相中，氮元素分解释放惰性气体稀释氧气浓度；在凝聚相中，希夫碱高温环化形成芳香族炭层，其热诱导自交联网络显著提升残炭质量和热氧化稳定性。值得注意的是，当VHE添加量达20 wt%时，玻璃化转变温度(T_g)从纯EP的150.6℃先升至153.1℃后降至138.1℃，说明过量添加会降低交联密度。

该成果发表于《Next Materials》，首次系统论证了香草醛基阻燃剂在平衡环氧树脂阻燃-力学性能方面的独特优势。相比传统石油基阻燃剂，VHE使材料在通过UL-94 V-0评级的同时，保持优异的机械性能（弯曲强度71.6 MPa）和加工性能，为生物基阻燃剂在航空材料等高端领域的应用奠定基础。研究提出的"自交联炭层增强"策略，为开发低烟低毒阻燃材料提供了新范式。