环氧树脂广泛应用于航天航空和电子电路等领域，然其高可燃性却是其广泛应用的障碍。追求无传统阻燃元素（如卤素、磷、氮和硅）的环氧树脂阻燃体系是当前研究热点方向之一。鉴于环氧树脂坚硬的炭层特征，单独引入过渡金属催化剂很难赋予环氧树脂优异的垂直燃烧测试等级，如何朝着优化炭层的方向调控催化剂的定向成炭特性，实现环氧树脂的高效阻燃性仍然面临严峻挑战。
研究内容
近期，重庆交通大学李志副教授联合马德里高等材料研究院王德义教授利用二茂铁优异的催化特性，发展了宏量制备二茂铁与生物基β-环糊精主客体阻燃剂（CD@Ferr）的简易方法 （图1(a)）。二茂铁与β-环糊精内腔的弱相互作用抑制二茂铁的低温挥发（约80 °C）有效延迟二茂铁的挥发温度至 150°C 以上，低于环氧树脂的固化加工温度（图1(b, c)）。添加2 wt%的CD@Ferr （铁载量低至0.008 wt%）到环氧树脂中通过 UL-94 V-0 级，氧指数达28.3%，烟总产量减少 20.3%（图1(d)）。由于 β-CD 和环氧树脂的弱氢键相互作用，环氧树脂玻璃化转变温度增加 24 oC （图1(e)），拉伸强度和断裂伸长率分别同步提高了 30.4% 和 85.8%（图1(f, g)）。
图1 (a) 二茂铁与生物基β-环糊精主客体阻燃剂（CD@Ferr）的宏量制备过程； (b) CD@Ferr热重温度曲线；(c) CD@Ferr 的TGA-MS中铁原子的释放过程；环氧树脂和复合材料的(d) UL-94等级和氧指数，(e) 动态力学，(f) 拉伸性能和 (g) 冲击性能
系统的阻燃机理研究表明部分二茂铁产生铁自由基参与凝聚相大分子自由基淬灭，产生的原子级铁化合物强烈催化刚/柔性结合的环氧树脂/β-环糊精的芳环化成炭。与此同时，释放到气相的二茂铁被转化为铁自由基淬灭H·/HO·，产生的原子级铁化合物进一步催化了气相中烟灰的热氧化过程，发挥气相抑烟作用（图2）。无传统阻燃元素的双相连续原子级催化开拓了聚合物高效阻燃和同步实现多功能的新方法。
图 2二茂铁与β-环糊精主客体阻燃剂（CD@Ferr）的双相连续原子级催化机理
该工作以“High-Efficient Fire-Safe Epoxy Enabled by Bio-based Atomic-Level Catalytic Engineering”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（Chemical Engineering Journal, 2023, 461: 141967）。文章第一作者是重庆交通大学蒋林芸硕士生，通讯作者是重庆交通大学李志副教授和马德里高等材料研究院王德义教授。该研究得到国家自然科学基金委（22005042），重庆市自然科学基金面上项目（cstc2020jcyj-msxmX0885）和重庆市教委青年基金（KJQN201900741）等的资助。该工作是团队近期关于高效催化阻燃的相关研究的最新进展之一。其团队的相关前期工作，如二茂铁气相抑烟的本质（Fire and Materials, 2018, 42: 286-295）和二茂铁协同增效层状双氢氧化物阻燃环氧树脂（Chemical Engineering Journal, 2019, 378: 122046）等。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723006988
