聚酰胺6 (PA6)纤维作为纺织工业中第二大合成纤维，具有高韧性、抗拉强度、耐磨性和回弹性等优点。然而，PA6纤维具有高可燃性以及较大的比表面积，具有快速的火势蔓延和急剧的熔滴行为，严重限制了其应用。在提高PA6火安全性的过程中，阻燃剂的加入通常会导致氢键解离，从而对PA6复合材料的力学性能产生不利影响。此外，纺织纤维必须经过高温的染色和后整理工艺，往往会造成阻燃剂迁移。因此，如何提高PA6的火安全性，同时又不影响其机械性能和加工性能是目前迫切需要解决的问题。
近期，东华大学袁如超/李发学教授团队合成了一种含苯并咪唑结构的含磷大分子阻燃剂(PPB，图1)，具有与PA6精确对齐的氢键给体和受体间距，从而增加了PA6/PPB复合材料中氢键的数量。PA6/PPB复合材料的淬灭效应、气相稀释效应以及与PA6之间的氢键相互作用使其具有良好的阻燃性能和力学性能。该工作以“A macromolecular flame
retardant for polyamide 6 and its filaments with enhanced fire safety, tensile
and UV-blocking performance”为题，发表在《Composites Part B:
Engineering》期刊上。文章第一作者是东华大学纺织学院的Yanlu Sun，通讯作者是东华大学纺织学院的袁如超博士和李发学教授。
【阻燃性能】
PA6的极限氧指数(LOI)仅为21.5%，UL-94垂直燃烧测试中没有评级(NR)。而PA6/PPB10的LOI值大幅增加到31.6%，同时PPB的加入有效地抑制了PA6的熔滴，缩短了燃烧时间，UL-94垂直燃烧达到了 V-0等级。熔融纺丝得到的PA6/PPB10长丝在5秒内表现出自熄特性。锥形量热仪测试结果表明，PA6/PPB10的峰值热释放速率（PHRR）为897 kW/m2，总热释放量(THR)为98.7 MJ/m2，与纯PA6相比分别降低了22.3%和40.1%。与纯PA6相比，PA6/PPB复合材料的平均一氧化碳产率(av-COY)值增加，平均二氧化碳产率(av-CO2Y)值降低，这表明PA6/PPB复合材料在气相中存在自由基捕获反应。图2. PA6和PA6/PPB复合材料的HRR (a)、THR (b)、SPR (c)和TSR (d)曲线。
【阻燃机理】
采用热解-气相色谱/质谱(Py-GC/MS)技术研究了PA6和PA6/ PPB复合材料的分解和热解过程，通过热重分析-红外光谱法(TG-IR)分析了PA6/PPB10的热解挥发物。基于上述结果和分析，提出了 PA6/PPB复合材料可能的阻燃机理（图3）。含磷自由基(PO⋅和PO2⋅)的生成起到抑制OH⋅和H⋅自由基的作用，有效抑制燃烧链式反应和火焰蔓延。同时，不可燃气体(NH3)的产生稀释了可燃气体。因此，PA6/PPB复合材料的阻燃机理可归结为气相淬灭效应和稀释效应。【抗紫外线与机械性能】
PPB的加入大幅提高了PA6的抗紫外线能力，表现为紫外线透过率降低和UPF值增加（图4）。PA6/PPB10复合材料在315 - 366nm和366 - 400nm范围内分别阻挡了98%和65%的紫外线辐射，UPF值从纯PA6的3增加到573。PA6/ PPB复合材料抗紫外性能的增强归因于PPB中苯并咪唑基团的共轭芳香杂环结构，其具有有效的紫外吸收能力。
由于PPB与PA6基体之间的相互作用，增强了它们的分子间作用力，从而赋予PA6/PPB复合材料更高的抗拉强度。PA6/PPB10复合材料的拉伸强度相较于纯PA6提高了12.6%。熔融纺丝得到的PA6/PPB10细丝强度保持在3.6 cN/dtex，与商用PA6长丝的强度非常接近。![]()
图4. PA6和PA6/PPB复合材料的UV-R透射率参数(a)和UPF值(b)。图5. PA6和PA6/ PPB复合材料及其长丝的拉伸强度。https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111631
作者|张杨涛
校审|刘杰
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