熱塑性聚氨酯(TPU)是一類性能優良的彈性體，具有較高的拉伸強度，達到6倍以上的伸長倍率。廣泛應用于建筑、汽車、電線和電纜。但是TPU極易被火焰點燃，快速燃燒，在燃燒的過程中伴隨著強烈的黑煙和致命的氣體產物，因此帶來較高的安全隱患。

通常添加型阻燃劑會對聚合物基體的機械性能造成明顯損害。特別是彈性體材料，阻燃劑的加入通常造成伸長率成倍下降。因此在彈性體阻燃中，需要針對性開發高效且與基體界面相容性好的阻燃體系。

次磷酸鋁(AHP)在相對較低的添加量下使TPU達到較高阻燃等級，且對彈性影響相對較小，但是對TPU在燃燒過程中造成的煙毒性控制仍然需要提升。

由有機橋聯分子(配體)與金屬離子/金屬簇結合形成的多孔配位納米尺度分子通常成為金屬-有機骨架材料(MOFs)，因其在吸附、分離、傳感及離子導電等方面表現出來的鮮明性能特點，吸引了各個領域的學者深入研究。許多學者發現MOFs高效吸收燃燒過程中產生的煙霧及有毒氣體，在較低的添加量下大幅度降低了煙氣釋放總量。中空管狀結構的納米管狀埃洛石(SEP)也有煙霧吸附作用。

PART.01

試驗方案

為提高TPU的阻燃性能北京化工大學的谷曉昱和張勝老師課題組成員，將SEP和一種典型的金屬有機框架結構分子ZIF-8有機結合，得到一種新型結構的零維/一維雜化納米粒子ZIF-8@SEP，作為AHP的協效劑加入到TPU中。

PART.02

試驗設備

國高材分析測試中心配備的塑料阻燃機理研究檢測設備：

水平垂直燃燒試驗儀

氧指數測定儀

錐形量熱儀

掃描電鏡

激光共聚焦顯微拉曼光譜儀

TGA-FTIR-GC-MS聯用系統

PART.03

試驗結果

3.1 TPU復合材料的阻燃性能

TPU的LOI僅為21.9%，在空氣條件中極易被點燃。當添加8.0%AHP/1.0%ZIF-8@SEP之后，樣品的LOI升高到27.5%，燃燒過程中沒有熔滴產生，通過UL-94垂直燃燒測試的V-0等級。

圖1. TPU復合材料的LOI和UL-94測試結果

在錐形量熱測試中，點燃后TPU樣品快速燃燒，200s內樣品燒盡，pHRR值達到1113 kW/m²，整個燃燒過程中釋放出約92.1 MJ/m²的熱量。添加9 wt%AHP后，pHRR值急劇下降約至200 kW/m²，降幅為76.5%，THR降低至54.2 MJ/m²。雖然AHP對TPU燃燒中的熱量釋放表現出色的控制，但是對煙霧釋放的控制并不顯著。從總煙釋放曲線SPR中看到，9 wt%AHP的使用會造成燃燒生煙量的上升，超過TPU本體燃燒產生的煙霧總量。添加8 wt%AHP/1 wt%ZIF-8@SEP的樣品的煙霧釋放被顯著控制。

圖2. TPU復合材料的錐形量熱結果

3.2 阻燃機理分析以及假設

從殘炭的照片可以發現，TPU燃燒后基本沒有殘留物，添加9 wt%AHP 的樣品產生一個高度1.8cm的炭層， TPU/8.0%AHP/1.0%ZIF-8@SEP樣品的炭層結構更加致密，高度達到3.1cm。拉曼測試也證明1.0%ZIF-8@SEP促進炭層的石墨化程度提高，致密的炭層結構可以在燃燒的過程中起到很好的屏蔽氧氣和熱量傳播的作用。

圖3. 殘炭形貌觀及拉曼光譜圖

進一步分通過TG-FTIR深入分析了AHP/ZIF-8@SEP對TPU的阻燃，抑煙及促進成炭的機理。

圖4. TG-FTIR譜圖以及孔隙寬度函數曲線及殘炭的EDS結果

在TPU/8.0AHP/1.0ZIF-8@SEP中，TPU鏈斷裂產生的自由基將被熱解PO·和PO2·捕獲，導致TPU鏈斷裂反應終止。同時AHP分解產生的焦磷酸促進了TPU的炭化。SEP和ZIF-8@SEP會將燃燒過程中產生的CO或HCN吸附到空腔體結構中，降低煙氣及有毒氣體釋放。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.clay.2021.106376