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王玉忠院士团队提出“高温重排-端基捕捉”聚酯阻燃新方法

访问量: 2020-03-10


聚对苯二甲酸乙二酯(PET)因其优异的综合性能而得到了广泛的应用,然而PET本身极其易燃,且典型的商业化本征阻燃PET存在着阻燃与抗熔滴相矛盾的难题。为解决这一矛盾,王玉忠院士团队提出了一种“高温自交联炭化”阻燃新方法(图1),通过向PET分子链中引入不同的自交联基团来实现聚酯的阻燃抗熔滴,该方法开创了PET自身炭化阻燃的全新途径。

 

图1. 高温自交联炭化阻燃PET的发展历程

近日,在前述研究基础上,该团队基于邻羟基苯酰亚胺(HPI)结构的特殊高温重排反应,设计合成了一种含HPI的本征火安全PET共聚酯,通过HPI在高温下重排产物与PET直接的相互作用,大幅提升了PET的火安全性。研究表明,在20 mol%的HPI含量下,共聚酯可通过UL-94 V-0等级;同时共聚酯也表现出优异的抑制热释放的效果,其锥形量热测试中的峰值热释放速率和烟生成速率较纯PET分别降低了62%59%(图3b和c);而火灾中最致命的毒气CO的峰值释放速率也较纯PET降低了75%(图3d)。

 

图2. HPI结构的高温重排反应(a)及其与PET之间的潜在化学反应(b)

 

 

图3. 几种共聚酯阻燃性能测试

通过对共聚酯的裂解过程进行分析(图4),提出一种“高温重排–端基捕捉”阻燃新方法:在高温下,HPI结构快速重排为苯并噁唑结构,而苯并噁唑与PET热分解产生的端羧基链段之间会发生反应对其进行捕捉,进而抑制PET热分解、减少分解产生可燃小分子,而形成的苯并噁唑及其交联结构在固相中也能起到提高共聚酯熔体黏度、促进成炭而隔绝氧气和热量传递的效果,最终实现共聚酯的高效阻燃抗熔滴。进一步研究表明该方法在脂肪族聚酯PBS中也表现出很好的适用性。

 

 

图4. PET和含HPI共聚酯的裂解过程

该项研究得到国家自然科学基金重点项目(21634006)的资助,为火安全聚酯和聚合物的设计提供了新的思路。这一成果以《Fire–Safe Polyesters Enabled by End–Group Capturing Chemistry》为题,发表在Angewandte Chemie International Edition上,该文的第一作者是王玉忠院士的博士研究生刘博文,通讯作者是王玉忠教授和陈力教授。

论文链接:

 

 

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