聚碳酸酯（PC）综合性能优良，用量居“五大工程塑料”之首。近年来，由于5G通信、人工智能等新技术的崛起，PC逐渐在电子设备、无人驾驶、通信基站、智能家居、建筑采光等领域崭露头角。但PC对缺口冲击敏感，且阻燃等级不足，由此易引发火灾、热失效和机械失效，限制了PC产品的适用场景。传统策略通常以牺牲综合性能为代价来降低火灾隐患，制备阻燃、耐热、强韧、透明的PC复合材料仍是一项挑战。
有鉴于此，研究人员以稀土金属为配位中心、以DOPO及其衍生物为配体，通过调控化学组成和微观形貌，制备出了两种与PC相容性良好的稀土配合物。这一设计策略将稀土金属以更稳定的方式引入至PC中，又结合了稀土金属凝聚相捕捉自由基和催化成炭作用与有机磷氮阻燃体系膨胀阻燃作用的优势，在提高了PC的阻燃性能、降低烟毒气体释放的同时，保持了PC优良的耐热、强韧、透明等综合性能。
图1. Ce(DPA)3配合物的结构、PC/Ce(DPA)3复合材料的综合性能
其中，3 wt%的Ce(DPA)3就可以分别使PC在垂直燃烧中通过工业中严格的UL-94 V-0级；峰值热释放速率（PHRR）下降了55%、总烟雾释放量（TSR）则降低了24%。凭借PC分子链与配体间较强的π-π相互作用，配合物均以小于可见光波长的亚微米级尺度分散于聚合物基体中，因此，拉伸强度和透明性基本同本体PC相当，且3 wt%的Ce(DPA)3使PC的缺口冲击强度和断裂伸长率分别提升了20%和59%。与现有报道相比，所制备的PC复合材料表现出更全面的综合性能，可获得应用的场景和产品范围大大拓宽。
图2. 阻燃机理分析：(a) PC、(e) PC/DPA-3 和 (i) PC/Ce(DPA)3-3的3D TG-IR谱图；(b-d) PC、(f-h) PC/DPA-3和(j-l) PC/Ce(DPA)3-3燃烧后残炭层的宏观数码照片和微观SEM图像
图3. PC/Ce(DPA)3-3复合材料在热分解过程中凝聚相产物的变温XPS光谱：(a) P 2p、(b) C 1s
通过TG-IR、py-GC-MS等技术原位检测了气相中的热裂解成分；通过不同降解阶段产物的升温间歇采样，以XPS、IR等手段分析了凝聚相中材料化学结构的演变历程，气相-凝聚相并举，深入探索了稀土配合物对PC热降解和燃烧炭化过程的影响，提出了完整的阻燃改性的机理。
相关成果以“Fabrication and mechanism study of cerium-based P, N-containing complexes for reducing fire hazards of polycarbonate with superior thermostability and toughness”（铈基P, N配合物的制备及其在聚碳酸酯阻燃、增韧、耐热改性中的机理研究）为题，发表于ACS Applied Materials & Interfaces。浙大宁波理工学院、浙江大学高分子科学与工程学系等为共同署名单位，论文第一作者为博士生赛霆，通讯作者为冉诗雅副教授和方征平教授。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c07153
此外，团队以制备高性能火安全PC复合材料为目的，发表了一系列基于稀土金属基阻燃剂的研究成果，原文链接如下：
Chemical Engineering Journal
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128223
Composites Part B-Engineering
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107198)
Composites Part B-Engineering
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108064
高分子学报
http://doi.org/10.11777/j.issn1000-3304.2019.19108
相关进展
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