聚磷酸铵（ammonium polyphosphate, APP）是目前用量最大的一种无卤无机大分子阻燃剂，然而聚磷酸铵阻燃高分子材料时存在耐水性差、耐热性不佳、力学性能恶化及阻燃抑烟效率偏低等缺陷。传统的表面改性处理、微胶囊化处理等方法在提高聚磷酸铵阻燃效率方面收效甚微。复配成炭剂/协效剂的方式由于阻燃体系中聚磷酸铵与成炭剂/协效剂很难通过共混的方式均匀接触，特别是一些小分子成炭剂仍存在易迁徙、难分散的问题，仍存在对高分子材料力学性能破坏较大，阻燃效率偏低的问题。
本系列工作利用离子交换反应调控金属离子在聚磷酸铵表面的种类、含量和分布，并将之作为“模板”，进而通过调控金属离子、有机配体种类和添加量构建具有高效催化抑烟成炭作用的金属离子、金属-有机框架材料（MOFs）或层状金属氢氧化物（LDH）为壳、聚磷酸铵为核，且核壳通过离子键结合的可控高性能聚磷酸铵的新方法。分别制备了金属离子改性的聚磷酸铵（以Fe@APP为代表），MOFs改性的聚磷酸铵（以ZIF-67@APP为代表）和LDH改性的聚磷酸铵（以Fe/Zn-LDH@APP为代表）。
1. Fe@APP的制备及阻燃环氧树脂研究
该工作通过聚磷酸铵和硝酸铁在常温下反应制备了铁离子化学改性的Fe@APP，将其应用于环氧树脂发现，相比于相同添加量的未改性聚磷酸铵，5Fe@APP/EP的UL-94达到V-1标准（5APP/EP为无级别），热释放速率峰值下降64.4%，烟释放速率峰值下降51.6%，火焰增长速率下降83.6%；阻燃机理研究表明，Fe@APP中铁(III)不仅有效地催化了环氧树脂的成炭过程，而且在燃烧过程中通过催化作用促进了Fe@APP/EP复合材料中P–O–C基团的快速形成，增强了环氧树脂的膨胀炭结构和火安全性。
2. ZIF-67@APP的制备及阻燃环氧树脂研究
在借鉴金属离子改性聚磷酸铵的基础上，结合MOFs丰富的结构类型、永久的孔隙结构、大的比表面积、可调节的孔径、多变的有机配体和高效催化特性，该工作首先通过Co2+与聚磷酸铵的阳离子交换反应生成“模板”，随后与2-甲基咪唑发生配位反应，构建了ZIF-67在聚磷酸铵上的高度均匀分散的ZIF-67@APP。当添加量为5 wt%时，5ZIF-67@APP/ EP的LOI值达到28.5%，并通过UL-94的V0标准。此外，与5APP/EP相比，5ZIF-67@APP/EP的热释放速率峰值和产烟速率峰值分别降低了67.4%和46.2%。同时，由于ZIF-67@APP与EP的良好相容性，该复合材料的力学性能明显提高。阻燃机理研究表明钴离子可催化该环氧树脂复合材料快速形成膨胀炭层。
3. Fe/Zn-LDH@APP的制备及阻燃环氧树脂研究
借鉴LDH自身优异的物理阻隔作用及催化成炭效果，且具有丰富的可调结构，该工作首先通过Zn2+与聚磷酸铵的阳离子交换反应生成“模板”，随后与Fe3+发生原位共沉淀反应，构建了Fe/Zn-LDH在聚磷酸铵上的高度均匀分散的Fe/Zn-LDH@APP。当添加量为4 wt%时，4 Fe/Zn-LDH/EP的LOI值可达到29.4%，并通过UL-94的V0标准。此外，与4APP/EP相比，4Fe/Zn-LDH/EP的热释放速率峰值、产烟速率峰值和火焰增长速率分别降低了66.4%、48.4%和80.7%。同时，由于Fe/Zn-LDH与EP的机械咬合作用，该复合材料的力学性能也明显提高。阻燃机理研究表明Fe/Zn-LDH不仅具有良好的物理“阻隔”作用，同时可催化该环氧树脂复合材料快速形成膨胀炭层，从而赋予环氧复合材料优异的火安全性。
功能纺织品与先进材料研究院邵珠宝教授的相关研究近期发表在复合材料领域知名期刊Compos. Commun.,2021, 28, 100959;Compos. Part A: Appl. S.,2021, 149, 106529;Compos. Part A: Appl. S.,2022, 155, 106841上，该系列工作得到了国家自然科学基金的资助（Nos.51703011）。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.coco.2021.100959;
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106529;
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.106841
