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

  環(huán)氧樹脂廣泛應(yīng)用于航天航空和電子電路等領(lǐng)域,然其高可燃性卻是其廣泛應(yīng)用的障礙。追求無傳統(tǒng)阻燃元素(如鹵素、磷、氮和硅)的環(huán)氧樹脂阻燃體系是當(dāng)前研究熱點方向之一。鑒于環(huán)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(huán)氧樹脂優(yōu)異的垂直燃燒測試等級,如何朝著優(yōu)化炭層的方向調(diào)控催化劑的定向成炭特性,實現(xiàn)環(huán)氧樹脂的高效阻燃性仍然面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。


  近期,重慶交通大學(xué)李志副教授聯(lián)合馬德里高等材料研究院王德義教授利用二茂鐵優(yōu)異的催化特性,發(fā)展了宏量制備二茂鐵與生物基β-環(huán)糊精主客體阻燃劑(CD@Ferr)的簡易方法 (圖1(a))。二茂鐵與β-環(huán)糊精內(nèi)腔的弱相互作用抑制二茂鐵的低溫?fù)]發(fā)(約80 oC)有效延遲二茂鐵的揮發(fā)溫度至 150oC 以上,低于環(huán)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(huán)氧樹脂中通過 UL-94 V-0 級,氧指數(shù)達(dá)28.3%,煙總產(chǎn)量減少 20.3%(圖1(d))。由于 β-CD 和環(huán)氧樹脂的弱氫鍵相互作用,環(huán)氧樹脂玻璃化轉(zhuǎn)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(tǒng)的阻燃機理研究表明部分二茂鐵產(chǎn)生鐵自由基參與凝聚相大分子自由基淬滅,產(chǎn)生的原子級鐵化合物強烈催化剛/柔性結(jié)合的環(huán)氧樹脂/β-環(huán)糊精的芳環(huán)化成炭。與此同時,釋放到氣相的二茂鐵被轉(zhuǎn)化為鐵自由基淬滅H·/HO·,產(chǎn)生的原子級鐵化合物進(jìn)一步催化了氣相中煙灰的熱氧化過程,發(fā)揮氣相抑煙作用(圖2)。無傳統(tǒng)阻燃元素的雙相連續(xù)原子級催化開拓了聚合物高效阻燃和同步實現(xiàn)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(fā)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(xué)蔣林蕓碩士生,通訊作者是重慶交通大學(xué)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(xué)基金委(22005042),重慶市自然科學(xué)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(huán)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(huán)氧樹脂和復(fù)合材料的(d) UL-94等級和氧指數(shù),(e) 動態(tài)力學(xué),(f) 拉伸性能和 (g) 沖擊性能 


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


  該工作是團(tuán)隊近期關(guān)于高效催化阻燃的相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一,二茂鐵作為阻燃劑的低溫?fù)]發(fā)和可控催化成炭一直是二茂鐵研究的挑戰(zhàn)。其團(tuán)隊的相關(guān)前期工作,如二茂鐵氣相抑煙的本質(zhì)(Fire and Materials, 2018, 42: 286-295)和二茂鐵協(xié)同增效層狀雙氫氧化物阻燃環(huán)氧樹脂(Chemical Engineering Journal, 2019, 378: 122046)等也相繼發(fā)表。


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

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