仅需要添加10%就能显著增强TPU复合材料的耐火性？

图1.ACS合成路线图2. 纯TPU和TPU复合材料的LOI和UL-94结果图3.复合材料的锥型量热数据曲线

壳聚糖（CS）通过碱性脱乙酰化从几丁质中提取，是一种具有多羟基结构的氨基多糖，使其成为一种潜在的绿色成炭剂。TPU结合了热塑性塑料的加工能力和弹性体的物理性能，如高拉伸强度，弯曲疲劳强度等。然而，在许多情况下，可燃性和熔滴性质限制了其应用。TPU的主要问题是提高阻燃性和耐热性，同时保持原有的优异性能。

北京化工大学张胜教授及其课题组成员谷晓昱教授等通过将壳聚糖与双-（4-甲酰基苯基）-苯基膦酸酯（ABPO）交联合成了一种新型壳聚糖衍生物，并将其作为阻燃添加剂应用于TPU中。研究者在配有机械搅拌器和冷凝器的反应器中，将壳聚糖（相当于0.1mol-NH2）分散在甲醇/乙酸（体积比10:1）中。将该混合物加热至50℃并保持2小时，然后将ABPO加入反应器中，将该混合物加热至65℃并回流12小时。将得到的混合物冷却并过滤，然后将所得滤饼用乙醇和丙酮洗涤3次，在70℃下真空干燥6小时得到产物。制备含磷壳聚糖（ACS）的典型合成路线如图1所示。

通过极限氧指数（LOI），UL-94垂直燃烧和锥形量热计测试来研究TPU复合材料的可燃性。图2列出了纯TPU和TPU复合材料的LOI和UL-94结果。从图2中可以看出，纯TPU的LOI值仅为20.8％，在UL-94测试中没有级别。但阻燃剂的加入明显降低了TPU的可燃性，通过在TPU中加入10wt％的APP/CS，LOI值增加到26.6％（样品TPU/APP/CS），比纯TPU高出近6个单位。但是，在UL-94测试中仍然没有级别。用ACS代替CS可以进一步提高TPU复合材料的阻燃性能，TPU/APP/ACS样品的LOI值高达28.6％，UL-94结果可以通过V-2等级。当向样品中添加1wt％的OMMT时，TPU/APP/ACS/OMMT复合材料可以通过UL-94 V-0级别。总体而言，在降低TPU的可燃性方面，ACS表现出比纯CS更高的效率，并且OMMT可能与ACS通过协效作用增强复合材料生成炭层的致密性。

TPU复合材料的放热率（HRR），总放热量（THR），质量损失和总烟释放量（TSR）曲线如图3所示。当TPU被点燃时，火焰迅速扩散到整个表面，纯TPU的峰值HRR（PHRR）和THR值分别为1090 kW / m 2和100 MJ / m 2。TPU / APP / CS样品的PHRR降低至384kW / m 2，比纯TPU低64.8％。另外，ACS替代CS可进一步降低PHRR至310 kW / m 2。TPU/APP/ACS/OMMT样品的PHRR为284kW / m 2，与纯TPU相比，其显着减少73.9％。在THR曲线中也可以观察到类似的结果。TPU / APP / ACS / OMMT复合材料的THR值降至66 MJ / m 2，与纯TPU相比降低约34％。THR的显着降低进一步阐明了OMMT和膨胀型阻燃剂之间的协同效应。

功能化壳聚糖（ACS）已成功制备交联壳聚糖与合成含磷中间体（ABPO）。掺入ABPO改善了ACS的热稳定性。通过添加10％阻燃剂能有效增强TPU复合材料的耐火性。这为TPU阻燃方面的实际应用提供了很好的实验室基础。