发展绿色低碳材料是目前响应双碳政策的重要途径，高分子材料正逐渐向着高性能化、功能化、绿色化和资源化方向发展，生物基高分子迎来历史性发展机遇。聚酰胺作为性能优异、产量巨大、用途广泛的工程塑料在国民经济产业中有着不可替代的重要地位，生物基聚酰胺56作为一种绿色低碳、性能优异的聚酰胺材料，在工程塑料和纺织化纤领域有着重要的应用潜力。然而，在特殊应用领域和极端使用环境下，其阻燃性能需要进一步提升。目前常用聚酰胺阻燃改性技术有机械共混、阻燃后整理以及化学改性，前两种物理改性方式存在阻燃剂用量大，机械性能降低，阻燃效果不持久的问题，而化学改性对阻燃剂要求高，技术难度大，多处于研究阶段。
鉴于此，文章设计制备了一种耐高温水溶性反应型阻燃剂，具有良好的反应活性，能够在高温下与聚酰胺单体无规共聚得到本征阻燃的生物基聚酰胺56。文中选用生物基衣康酸、生物基戊二胺与磷杂啡中间体为原料制备了磷氮系反应型阻燃剂DOPDA，其展现出良好的水溶性，在聚合过程中能够与聚酰胺56单体均匀混合，超过200 ℃的热分解温度保证其在聚合中不会分解。另外，将阻燃剂通过共聚引入聚酰胺56分子链中，完美解决了两相的相溶性问题，同时实现高强度与高阻燃性能，在阻燃剂含量为8wt%时，其极限氧指数可达到29.7，拉伸强度大于70 MPa，熔点超过246 ℃。最后系统研究了生物基共聚阻燃聚酰胺56的燃烧行为，通过UL-94垂直燃烧、极限氧指数、以及锥形量热测试证明了其在低阻燃剂含量下仍具有优异的阻燃性能，并细致研究了阻燃机理。
生物基共聚阻燃聚酰胺56（FRPA56）的制备流程如图1所示，利用生物基衣康酸与戊二胺的成盐反应制备ITDA盐，然后与磷杂啡中间体DOPO加成，制备了耐高温水溶性共聚阻燃剂。该阻燃剂良好的热稳定性与水溶性保证其在高温共聚中保持高活性均相反应，最终通过一步法熔融缩聚实现了生物基本征阻燃聚酰胺56的制备。经过反复试验，开发的聚合工艺可控、操作流程简单，易于实现工业化生产。
随后，系统研究了生物基共聚阻燃聚酰胺56的结构与性能，随着阻燃剂的引入，FRPA56结晶度、分子量、氢键密度略微下降，导致FRPA56力学性能和耐热性降低，但阻燃性能大幅提高。为进一步揭示FRPA56的阻燃机理，作者详细表征了树脂的燃烧行为、残炭组织结构、热裂解气体产物，结果表明，共聚阻燃剂能够促进聚酰胺脱水成炭形成致密炭层，隔绝空气并阻止热量向内部传递，起到凝聚相阻燃效果；在燃烧气相产物中，阻燃剂降解碎片产生自由基，能够中止聚酰胺的链式降解，同时生成的氨气、水蒸气能够稀释可燃气体，起到气相阻燃作用（图2）。
小结：作者设计制备了耐高温水溶性共聚阻燃剂，将生物基PA56与阻燃剂进行无规共聚制备了本征阻燃聚酰胺，具有出色的机械性能与良好的热稳定性。详细研究了共聚阻燃剂的引入对分子结构与材料性能的影响，揭示了共聚阻燃聚酰胺的气相、凝聚相阻燃机制，全面评价了该材料的阻燃效果。生物基共聚阻燃聚酰胺56在工程塑料与纺织纤维领域展现出极大优势，尤其是作为化纤应用时，较高的吸水率和优异的触感使得其阻燃作战服、高档地毯等领域有着较大的应用潜力。相关工作以“Molecular Design of Reactive Flame Retardant for Preparing Biobased Flame Retardant Polyamide 56”为题发表在《Polym. Degrad. Stab.》期刊上。北京化工大学博士研究生赵世坤为论文第一作者，材料学院潘凯教授、中石油石化院陈商涛工程师为论文通讯作者，北京化工大学为论文第一完成单位。
全文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141391022003901?dgcid=coauthor
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