以PA6代表的典型脂肪族尼龍具有良好的機械性能、熱穩定性、自潤滑性及可加工性等，因此被廣泛應用于國防軍工和日常生活的各個領域。然而，脂肪族尼龍固有的易燃性使其被點燃后極易引發火災事故，對生命和財產安全構成嚴重威脅，限制其某些領域的應用。目前，通過物理共混向尼龍基材中添加阻燃劑或通過化學共聚向尼龍分子鏈中引入阻燃元素是兩種常用的阻燃方法，但大多數阻燃尼龍仍面臨著力學性能、可加工性等惡化的問題。如何在保持尼龍本身優異綜合各性能的同時實現高阻燃是亟待解決的關鍵難題。
四川大學王玉忠院士團隊設計合成了一種具有側鏈籠狀結構的含磷阻燃共聚尼龍PA 6-co-PEC（圖1）。一方面，含磷結構的引入大幅提高了PA 6-co-PEC的阻燃性和自熄能力；另一方面，側鏈籠狀結構提供了額外的鏈纏結點，在不影響尼龍可紡性的同時提高了材料的力學性能。成功實現了尼龍6的高阻燃性、高力學性能、高耐熱性及可紡性。
圖1. PA6-co-PEC增強纏結相互作用示意圖
鏈纏結的增強并未影響共聚尼龍的結晶性，PA 6-co-PEC在DSC測試中明顯的熔融峰和結晶性，且具有與純尼龍6相近的結晶度。在高壓毛細管流變性測試中，PA 6-co-PEC表現出典型的“剪切變稀”行為，具有較好的成形加工性能，很容易從毛細管拉出粗細均勻的初生纖維，表現出較好的可紡性；同時，PA 6-co-PEC纖維的拉伸強度為4.5 cN/dtex，較純尼龍6提高了12.5%。注塑得到的PA 6-co-PEC樣條同樣表現出高力學性能，其中PA 6-co-PEC5的拉伸強度為91.9 MPa，較純尼龍6提高了39%。PA 6-co-PEC的熱變形溫度（HDT）從純尼龍6的110 °C逐漸上升到PA 6-co-PEC1、PA 6-co-PEC3和PA 6-co-PEC5的115、117和120°C，表現出較高的耐熱性。在UL-94垂直燃燒試驗中，純尼龍6極易被點燃，且火源離開后燃燒劇烈、火焰迅速蔓延、產生大量帶火熔滴并引燃脫脂棉，表現為無級。而PA 6-co-PEC的熔滴現象被顯著抑制，燃燒時間大幅縮短。PA 6-co-PEC5在兩次點火后均離火即熄，只產生少量熔滴且不引燃底部脫脂棉，通過V-0等級。類似的，在LOI測試中，純尼龍6產生的熔滴沿著樣品的邊緣流動，導致火焰蔓延，LOI值僅為22%；而PEC的引入提高了材料的自熄性，將PA 6-co-PEC5的LOI值提高到26%。
圖2. 純PA 6和PA 6-co-PEC在N2（a）和Air（b）氣氛下的TGA曲線; DSC的二次升溫（c）和一次降溫（d）曲線；剪切黏度與剪切速率的關系（e，f）；試紡實驗示意圖和纖維的SEM照片（g）。
圖3. 應力應變曲線（a）拉伸和彎曲性能（b）；PA 6和PA 6-co-PEC在拉伸試驗前（c）和后（d）的XRD曲線；拉伸前后分子構象和纏結的示意模型（e）；纖維的應力應變曲線（f）；熱變形溫度（g）。
圖4. UL-94測試數碼照片（a）LOI測試結果（b）；50 kW/m2輻照下的熱釋放率（c）和總熱釋放（d）曲線；PA 6不同溫度下熱降解產物的FTIR光譜（e）；35 kW/m2輻照下的熱釋放率（f）和總熱釋放（g）曲線；PA 6-co-PEC5不同溫度下熱降解產物的FTIR光譜（h）。
該工作以“High-Performance Flame-Retardant Aliphatic Polyamide via Enhanced Chain Entanglement”為題發表在Chemical Engineering Journal（2022， doi.org/10.1016/j.cej.2022.140637）。第一作者為四川大學環保型高分子材料國家地方聯合工程實驗室的碩士研究生蔣敏，通訊作者為劉博文研究員和王玉忠教授。相關研究工作得到國家自然科學基金重大項目課題五“受限空間典型高分子材料高效本體阻燃與高性能化原理與技術”（51991351）的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140637
