以PA6代表的典型脂肪族尼龙具有良好的机械性能、热稳定性、自润滑性及可加工性等，因此被广泛应用于国防军工和日常生活的各个领域。然而，脂肪族尼龙固有的易燃性使其被点燃后极易引发火灾事故，对生命和财产安全构成严重威胁，限制其某些领域的应用。目前，通过物理共混向尼龙基材中添加阻燃剂或通过化学共聚向尼龙分子链中引入阻燃元素是两种常用的阻燃方法，但大多数阻燃尼龙仍面临着力学性能、可加工性等恶化的问题。如何在保持尼龙本身优异综合各性能的同时实现高阻燃是亟待解决的关键难题。
四川大学王玉忠院士团队设计合成了一种具有侧链笼状结构的含磷阻燃共聚尼龙PA 6-co-PEC（图1）。一方面，含磷结构的引入大幅提高了PA 6-co-PEC的阻燃性和自熄能力；另一方面，侧链笼状结构提供了额外的链缠结点，在不影响尼龙可纺性的同时提高了材料的力学性能。成功实现了尼龙6的高阻燃性、高力学性能、高耐热性及可纺性。
图1. PA6-co-PEC增强缠结相互作用示意图链缠结的增强并未影响共聚尼龙的结晶性，PA 6-co-PEC在DSC测试中明显的熔融峰和结晶性，且具有与纯尼龙6相近的结晶度。在高压毛细管流变性测试中，PA 6-co-PEC表现出典型的“剪切变稀”行为，具有较好的成形加工性能，很容易从毛细管拉出粗细均匀的初生纤维，表现出较好的可纺性；同时，PA 6-co-PEC纤维的拉伸强度为4.5 cN/dtex，较纯尼龙6提高了12.5%。注塑得到的PA 6-co-PEC样条同样表现出高力学性能，其中PA 6-co-PEC5的拉伸强度为91.9 MPa，较纯尼龙6提高了39%。PA 6-co-PEC的热变形温度（HDT）从纯尼龙6的110 °C逐渐上升到PA 6-co-PEC1、PA 6-co-PEC3和PA 6-co-PEC5的115、117和120°C，表现出较高的耐热性。在UL-94垂直燃烧试验中，纯尼龙6极易被点燃，且火源离开后燃烧剧烈、火焰迅速蔓延、产生大量带火熔滴并引燃脱脂棉，表现为无级。而PA 6-co-PEC的熔滴现象被显著抑制，燃烧时间大幅缩短。PA 6-co-PEC5在两次点火后均离火即熄，只产生少量熔滴且不引燃底部脱脂棉，通过V-0等级。类似的，在LOI测试中，纯尼龙6产生的熔滴沿着样品的边缘流动，导致火焰蔓延，LOI值仅为22%；而PEC的引入提高了材料的自熄性，将PA 6-co-PEC5的LOI值提高到26%。
图2. 纯PA 6和PA 6-co-PEC在N2（a）和Air（b）气氛下的TGA曲线; DSC的二次升温（c）和一次降温（d）曲线；剪切黏度与剪切速率的关系（e，f）；试纺实验示意图和纤维的SEM照片（g）。
图3. 应力应变曲线（a）拉伸和弯曲性能（b）；PA 6和PA 6-co-PEC在拉伸试验前（c）和后（d）的XRD曲线；拉伸前后分子构象和缠结的示意模型（e）；纤维的应力应变曲线（f）；热变形温度（g）。
图4. UL-94测试数码照片（a）LOI测试结果（b）；50 kW/m2辐照下的热释放率（c）和总热释放（d）曲线；PA 6不同温度下热降解产物的FTIR光谱（e）；35 kW/m2辐照下的热释放率（f）和总热释放（g）曲线；PA 6-co-PEC5不同温度下热降解产物的FTIR光谱（h）。该工作以“High-Performance Flame-Retardant Aliphatic Polyamide via Enhanced Chain Entanglement”为题发表在Chemical Engineering Journal（2022， doi.org/10.1016/j.cej.2022.140637）。第一作者为四川大学环保型高分子材料国家地方联合工程实验室的硕士研究生蒋敏，通讯作者为刘博文研究员和王玉忠教授。相关研究工作得到国家自然科学基金重大项目课题五“受限空间典型高分子材料高效本体阻燃与高性能化原理与技术”（51991351）的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140637
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