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可发性聚苯乙烯泡沫（EPS）因易燃性及阻燃剂兼容性问题存在安全隐患。本研究采用P/Si预聚物作为分散介质，构建ADP/APP/EG协同阻燃体系，在EPS颗粒表面均匀负载无机阻燃剂，通过蒸汽成型工艺实现阻燃泡沫的制备。实验表明，该体系在燃烧时形成致密N/P/Si富集炭层，有效阻隔火焰蔓延并降温，使泡沫达到UL94 V-0等级。同时，废弃阻燃EPS泡沫可通过熔融加工与超临界CO2发泡技术循环再生，保持优异阻燃性能，为环保型阻燃材料循环利用提供新策略。
刘崇宇|陈超峰|沈嘉旭|刘源|徐大伟
中国四川大学高分子研究所先进高分子材料国家重点实验室，成都
摘要
可膨胀聚苯乙烯（EPS）泡沫因其优异的综合性能而在建筑和包装等领域得到广泛应用，但其固有的易燃性和较差的阻燃性能对公共安全和财产构成严重威胁。传统的溴系阻燃剂存在环境安全问题，而基于磷的替代品则面临高用量和兼容性不足的挑战。本文将一种新型的P/N协同阻燃体系应用于EPS泡沫中，通过P/Si预聚物介质的分散和相容化作用，使得泡沫具有出色的阻燃和机械性能。该协同阻燃体系在凝聚相中形成致密的炭层，并在气相中分解以释放热量，从而实现了UL-94 V-0的阻燃等级。此外，这种泡沫在废弃后可以通过熔融加工和超临界二氧化碳（scCO2）技术进行再处理和再发泡，生产出仍具有良好阻燃性能的新泡沫，为这种新型无卤阻燃EPS泡沫的制备、回收和循环利用提供了创新策略。
引言
聚合物泡沫因其轻质、高比强度和优异的综合性能而在航空航天、轨道交通、汽车和家具等领域得到广泛应用[[1], [2], [3]]。可膨胀聚苯乙烯（EPS）泡沫作为主要使用的泡沫材料之一，在建筑和包装领域具有显著竞争优势，这归功于其低成本、缓冲性能和隔热能力。然而，由于其由碳和氢元素组成，且具有高比表面积和薄细胞壁，容易导致燃烧并难以实现阻燃，从而对公共健康和财产安全构成风险[4,5]。
EPS泡沫的阻燃方法主要包括聚合法和涂层法。聚合法是在悬浮聚合过程中加入阻燃成分，然后制备出阻燃EPS颗粒，这些颗粒最终可以模制成泡沫制品[6]；涂层法则是通过在EPS颗粒表面涂覆阻燃剂并进行蒸汽箱成型，该方法因工艺简单且易于控制而得到广泛应用[[7], [8], [9]]。常用的溴系阻燃剂存在环境和健康问题，其中一些已被禁用[[10], [11], [12]]。因此，迫切需要开发新型无卤阻燃体系以实现EPS泡沫的有效阻燃。
基于磷的阻燃剂被视为传统阻燃剂的有效替代品，已被用于制备无卤阻燃体系。然而，单一成分的磷基阻燃剂通常需要与其他协同添加剂结合使用，因为其形成炭层的能力有限且阻燃效果不足。例如，Ji等人[13]使用红磷和可膨胀石墨作为协同阻燃剂实现了EPS泡沫的有效阻燃；Zhang等人[14]使用纳米氧化锆磷酸盐、苯基磷酸钠、四水合硝酸锰、聚磷酸铵和三聚氰胺改性脲醛树脂制备了阻燃EPS泡沫，达到了UL94 V-0的阻燃等级，但氧指数仅为57.8%。然而，较高的阻燃剂用量或复杂的制备过程可能会影响相容性或增加成本，从而限制了其大规模应用。我们研究小组之前合成了一种含有阻燃元素磷和硅的油性预聚物，经过加热后可以固化[15]，这表明其在改善阻燃剂与聚合物基体相容性方面具有潜力。
此外，在资源日益短缺和环境污染日益严重的背景下，回收已成为一个关键问题。建筑等行业大量使用的废弃阻燃EPS泡沫的回收对循环经济和环境保护具有重要意义[[16], [17], [18]]。因此，迫切需要开发具有优异综合性能的新型无卤阻燃EPS泡沫，并探索其循环利用的可行途径。
基于以往的研究，我们合成了一种P/Si预聚物作为分散介质，有效地将有机-无机杂化阻燃体系均匀地加载到预发泡的EPS颗粒上，然后通过发泡和成型工艺制备出了阻燃EPS泡沫。研究了成型过程和微观结构，并分析了阻燃体系对阻燃性能和机械性能的影响。最重要的是，这种废弃的阻燃EPS泡沫可以通过熔融加工和超临界二氧化碳（CO2）发泡技术进行再处理和再制造，保持其阻燃性能，为阻燃泡沫的制备和回收开辟了新途径。
材料
EPS由兴达泡沫有限公司（中国无锡）提供；乙醇和去离子水购自西龙化学试剂公司（中国成都）；9,10-二氢-9-氧-10-磷杂菲烷-10-氧化物（DOPO，纯度≥99.0%）和3-缩水甘油基丙基三甲氧基硅烷（KH560，97.0%）由麦克林生化有限公司（中国上海）提供；聚磷酸铵（APP）、二乙基磷酸铝（ADP）和三聚氰胺（ME）由上海宇源生物科技有限公司（中国上海）提供。
形态与结构
为了探索最佳成型工艺并阐明其对最终泡沫结构的影响，在相同的预发泡条件下制备了FREPS泡沫，但后续加热时间不同（30秒、1分钟和3分钟），并检测了它们的断裂表面和相应的细胞结构。如图2(a-c)所示，成型时间对FREPS泡沫的颗粒融合有显著影响。当成型时间为30秒时，EPS颗粒之间存在明显的间隙。
结论
总之，通过KH-DOPO的分散和固化作用，将ADP、APP和EG组成的协同阻燃体系牢固地固定在EPS泡沫表面，制备出了阻燃EPS泡沫。在燃烧过程中，有机-无机杂化体系在凝聚相中形成致密的N/P/Si富集炭层，并在气相中释放热量，从而有效抑制了火焰传播。
作者贡献声明
刘崇宇：撰写初稿、方法学研究、数据分析。陈超峰：软件开发、资源管理、项目协调。沈嘉旭：数据分析。刘源：项目监督、方法学研究、概念设计。徐大伟：撰写修订稿、数据验证、项目监督、概念设计。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（2023YFC3905302）和四川省高科技有机纤维与复合材料重点实验室开放项目（PLN2024-05）的支持。
