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重慶交通大學李志副教授/馬德里高等材料研究院王德義教授團隊 CEJ: 生物基原子級催化賦予環氧樹脂高效阻燃與多功能
2023-03-01  來源:高分子科技

  環氧樹脂廣泛應用于航天航空和電子電路等領域,然其高可燃性卻是其廣泛應用的障礙。追求無傳統阻燃元素(如鹵素、磷、氮和硅)的環氧樹脂阻燃體系是當前研究熱點方向之一。鑒于環氧樹脂堅硬的炭層特征,單獨引入過渡金屬催化劑很難賦予環氧樹脂優異的垂直燃燒測試等級,如何朝著優化炭層的方向調控催化劑的定向成炭特性,實現環氧樹脂的高效阻燃性仍然面臨嚴峻挑戰。


  近期,重慶交通大學李志副教授聯合馬德里高等材料研究院王德義教授利用二茂鐵優異的催化特性,發展了宏量制備二茂鐵與生物基β-環糊精主客體阻燃劑(CD@Ferr)的簡易方法 (圖1(a))。二茂鐵與β-環糊精內腔的弱相互作用抑制二茂鐵的低溫揮發(約80 oC)有效延遲二茂鐵的揮發溫度至 150oC 以上,低于環氧樹脂的固化加工溫度(圖1(b, c))。添加2 wt%的CD@Ferr (鐵載量低至0.008 wt%)到環氧樹脂中通過 UL-94 V-0 級,氧指數達28.3%,煙總產量減少 20.3%(圖1(d))。由于 β-CD 和環氧樹脂的弱氫鍵相互作用,環氧樹脂玻璃化轉變溫度增加 24 oC (圖1(e)),拉伸強度和斷裂伸長率分別同步提高了 30.4% 和 85.8%(圖1(f, g))。


  系統的阻燃機理研究表明部分二茂鐵產生鐵自由基參與凝聚相大分子自由基淬滅,產生的原子級鐵化合物強烈催化剛/柔性結合的環氧樹脂/β-環糊精的芳環化成炭。與此同時,釋放到氣相的二茂鐵被轉化為鐵自由基淬滅H·/HO·,產生的原子級鐵化合物進一步催化了氣相中煙灰的熱氧化過程,發揮氣相抑煙作用(圖2)。無傳統阻燃元素的雙相連續原子級催化開拓了聚合物高效阻燃和同步實現多功能的新方法。該工作以“High-Efficient Fire-Safe Epoxy Enabled by Bio-Based Atomic-Level Catalytic Engineering”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上(Chemical Engineering Journal, 2023, 461: 141967)。文章第一作者是重慶交通大學蔣林蕓碩士生,通訊作者是重慶交通大學李志副教授和馬德里高等材料研究院王德義教授。該研究得到國家自然科學基金委(22005042),重慶市自然科學基金面上項目(cstc2020jcyj-msxmX0885)和重慶市教委青年基金(KJQN201900741)等的資助。 


圖1 (a) 二茂鐵與生物基β-環糊精主客體阻燃劑(CD@Ferr)的宏量制備過程; (b) CD@Ferr熱重溫度曲線;(c) CD@Ferr 的TGA-MS中鐵原子的釋放過程;環氧樹脂和復合材料的(d) UL-94等級和氧指數,(e) 動態力學,(f) 拉伸性能和 (g) 沖擊性能 


圖 2二茂鐵與β-環糊精主客體阻燃劑(CD@Ferr)的雙相連續原子級催化機理


  該工作是團隊近期關于高效催化阻燃的相關研究的最新進展之一,二茂鐵作為阻燃劑的低溫揮發和可控催化成炭一直是二茂鐵研究的挑戰。其團隊的相關前期工作,如二茂鐵氣相抑煙的本質(Fire and Materials, 2018, 42: 286-295)和二茂鐵協同增效層狀雙氫氧化物阻燃環氧樹脂(Chemical Engineering Journal, 2019, 378: 122046)等也相繼發表。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723006988

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