纤维素纳米纤维（CNFs）因具备高比表面积和优异机械性能，被视为绿色结构材料的理想候选。然而其固有的易燃性限制了在高层建筑等安全要求严苛领域的应用。传统阻燃策略常面临环境负担重、效率低等问题，部分研究虽通过磷酸化或磺化结合深共晶溶剂（DES）实现一定阻燃效果，但多局限于木材或竹材原料且能耗较高，难以满足可持续发展需求。
秸秆基阻燃层压板新突破
近日，南京林业大学杨蕊副教授课题组在《Chemical Engineering Journal》发表题为“Self-adhesive cellulose nanofibers achieve ultra-high flame retardancy via deep eutectic solvent mediated dual P/S functionalization”的研究成果。该团队以农业废弃物——秸秆为原料，采用磷酸二氢铵（MAP）与二元深共晶溶剂（DES）协同预处理，成功制备出兼具超高阻燃性与优异力学性能的自粘合纤维素纳米纤维层压板（PSCNFL），工艺简单、能耗低，具有显著产业化潜力。
双重功能化改性机制
研究通过将脱木质素秸秆置于磷酸二氢铵-尿素-氨基磺酸低共熔体系中，同步实现磷酸化与磺化双重功能化修饰。经超声分散后获得磺化磷酸化纤维素纳米纤维（PSCNF），对照组则由常规超声处理得到普通CNF。
图1 磺化和磷酸化过程及其阻燃机制示意图
化学结构表征验证改性效果
FTIR光谱显示羟基峰减弱并出现新的P-O-C和S=O特征峰；XRD结果表明结晶度略有下降但仍维持纤维素Ⅰ型结构；XPS精细谱证实P2p和S2p信号的存在，说明磷、硫元素成功引入分子链。其中PSCNF2样品双官能团接枝程度最高，为后续高性能材料构建奠定基础。
图2 CNFL与PSCNF2L的化学结构表征（FTIR、XRD、XPS）
力学性能显著提升
拉伸测试结果显示，PSCNF2L层压板的拉伸强度和韧性分别达到未改性样品的3.1倍和15.7倍。SEM图像显示其断面结构致密、纤维交织紧密，无明显孔洞或分层缺陷，归因于改性后氢键网络增强、纤维分散更均匀及长径比优化。
图3 CNF薄膜与层压板的力学性能对比及微观结构分析
高效阻燃性能表现突出
热重分析显示，PSCNFL起始分解温度略提前（约180°C），但最大分解速率降低，残炭率高达45%，表明热稳定性显著提升。酒精灯燃烧测试中，未改性CNFL迅速燃烧至完全碳化，而PSCNFL燃烧缓慢且可自熄，其中PSCNF2L仅3秒即自熄。
EDS与SEM分析表明，燃烧后形成的炭层致密连续，硅、氧元素分布均匀，有效阻隔热量与氧气传递。磷、硫元素可通过自由基捕获机制抑制链式燃烧反应，协同提升阻燃效能。
图4 CNFL与PSCNFL的热稳定性及阻燃性能对比
综合性能优越，应用前景广阔
所制备的PSCNF2L层压板极限氧指数（LOI）达74.9%，远高于传统生物质阻燃材料。结合其低成本、环境友好、制备简便等优势，该材料在包装、建筑装饰等领域展现出良好应用前景。
图5 层压板的LOI、HRR、THR及PHRR等阻燃性能数据对比
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472509148X
