隨著社會的不斷發展，化石燃料的消耗不斷增加，塑料污染持續存在，亟需可持續的材料解決方案。熱塑性聚氨酯（TPU）憑借其優異的可回收性、更長的使用壽命和優異的機械性能，在電子、汽車和建筑領域備受關注。然而，TPU固有的易燃性——表現為燃燒過程中嚴重的熔滴現象和有毒煙霧排放，限制了其進一步發展。因此，增強TPU的阻燃性能對于擴大其應用范圍具有重要意義。
近年來，磷系阻燃劑因其高效、低毒氣體釋放且能抑制熔滴等特性受到廣泛關注。其中，聚磷酸銨（APP）憑借高磷/氮含量與多重阻燃機制，已成為該領域的主導品類。然而，聚磷酸銨（APP）與TPU之間的相容性較差，往往會損害復合材料的機械性。因此，研究人員致力于開發新型高效的阻燃TPU體系。
中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室的研究人員通過殼聚糖（CS）與鈰離子（Ce3?）在聚磷酸銨（APP）表面的靜電自組裝，開發出一種新型生物基阻燃劑APP@CS-Ce。該核殼結構以生物質源殼聚糖作為碳源，協同利用稀土鈰（Ce3?）的催化成炭和自由基淬滅功能。
研究人員將殼聚糖（CS）的可再生碳源特性與Ce3?的多重催化功能融合到TPU阻燃體系中，通過靜電自組裝與離子螯合策略，制備了新型阻燃劑APP@CS-Ce。首先，將殼聚糖（CS）在乙酸溶液中質子化形成帶正電的聚電解質，繼而利用靜電自組裝將鈰離子吸附至帶負電的聚磷酸銨（APP）表面，同時鈰離子與殼聚糖的氨基（-NH）和羥基（-OH）發生螯合，最終構建出APP@CS-Ce阻燃劑。將APP@CS-Ce與TPU共混后，系統評估了TPU復合材料的熱穩定性、阻燃性能、抑煙性能及力學性能，并深入探究了界面結合機制與抑煙阻燃機理。
研究發現，僅添加15%的APP@CS-Ce即可使TPU復合材料達到UL-94 V-0等級，極限氧指數（LOI）達27.6%。炭殘留量從0.5wt%（純TPU）飆升至24wt%，而峰值熱釋放速率（PHRR）和總煙釋放量（TSP）分別降低76%和61%。尤為關鍵的是，一氧化碳釋放量減少45%，證實了有效的毒性抑制。鈰離子進一步促進了炭層的石墨化并催化CO向CO?轉化，從而增強阻隔性能與燃燒效率。與傳統添加劑不同，APP@CS-Ce因界面相容性改善，在保持力學完整性方面表現優異，斷裂伸長率僅下降0.5%。該研究展示了一種結合生物質資源與稀土催化的可持續高性能阻燃策略，為新一代TPU應用提供了新途徑。
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