高分子材料因其优异的性能得到了广泛的应用，而应用在一些特殊环境（如大飞机和高铁）中的高分子材料对火安全性提出了极高的要求。通过分子结构设计火安全材料具有环境友好等优势，其面临的重大挑战是如何平衡火安全性能与其他性能以及如何优化综合性能。例如，带有芳香杂环刚性骨架的聚合物具有高耐热性和高成炭性，火安全性能较高。然而，这些结构又导致材料加工性能变差，实用性受限。目前，对于同时满足加工性和高火安全性的新型高分子材料的需求日益迫切，而基于科学直觉和反复试验的传统材料设计方法不仅耗时，而且效率低下。针对这一问题，本课题组建立了一种简单的材料基因组方法（MGA），并成功用于高通量筛选可加工的本征高火安全聚碳酸酯（PC）。其中，双酚单元被定义为PC的“基因”，玻璃化转变温度Tg和单位质量总放热量hc作为特征量，分别用于表征加工性和火安全性（图1）。该研究成果以“Efficiently predicting and synthesizing intrinsic
highly fire-safe polycarbonates with processability”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》期刊上。本课题组的博士研究生余荣华为第一作者，刘杰副研究员和唐涛研究员为通讯作者。图1. 用于火安全聚碳酸酯的材料基因组方法示意图。
在材料基因组方法的指导下，以两步筛选法得到了具有优化结构的PC（图2）。第一步筛选中，根据火安全性特征量hc值（通过摩尔基团贡献法获得）对候选双酚单体进行初步筛选，并将15 kJ g-1定义为第一步筛选的阈值。第二步筛选中，为了平衡加工性和火安全性，将候选双酚单体进行共聚组合以获得一系列的共聚PC。通过同时限定火安全性与加工性能两个特征量的数值（hc，cal ≤ 10 kJ g−1和Tg，cal ≤ 200 °C），最终筛选出具有优化结构的PC。随后成功合成了PP-BPE与PP-BPT这两种优化结构的PC，其Tg实验值分别为199 °C和191 °C，hc实验值分别为8.6 kJ g−1和9.3 kJ g−1，验证实验结果与预测结果相符合。图2. 优化结构PC的筛选及合成表征。
采用不同的阻燃测试方法对优选结构PC材料进行了表征，从不同维度评价了材料的高火安全性（图3）。在锥形量热仪测试中，商业双酚A聚碳酸酯（BPA-PC）的热释放速率峰值（PHRR）达495 kW/m2，优选结构PP-BPT的PHRR仅为150 kW/m2，降低幅度达70 %。相较于BPA-PC，PP-BPT总热释放（THR）、总烟释放（TSP）和峰值一氧化碳生成速率（PCOP）降低了53 %、75 %和50 %。同时，1.5 mm的PP-BPT可以通过UL94最高的5VA等级。热传递造成的火蔓延是火灾形势加剧和失控的主要原因之一。由于PP-BPT具有较强的成炭能力，表面原位产生的隔热炭层能抑制热传导，从而为人们提供了更充足的逃生时间。此外，优选结构PC保持着高透明性和高拉伸强度。
图3. PC的火安全性能、透明性及力学性能。
为了弄清材料优异火安全性的原因，对PC的热降解行为进行了系统研究，并提出了相应的阻燃机理。结果表明，交联反应（如酚酞的内酯环交联反应和二苯醚/二苯硫醚的重排-交联反应）促进了凝聚相中炭保护层的形成，减少可燃组分的释放，同时可以有效地阻挡传质和传热。同时气相中重排产生的多环芳烃（如1,3-苯并噻-2-酮和吩噁噻）抑制了挥发性产物的完全燃烧。最终凝聚相中的高效炭化作用与气相抑燃作用相结合，增强了聚合物材料的火安全性能。这一发现将为高火安全聚合物的合成和应用提供一个新的思路。
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原文链接：
https://doi.org/10.1039/D3TA01200J作者|余荣华
校审|刘杰
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