近期，我校纺织科学与工程学院先进纤维与纺织复合材料团队郭文文副研究员在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上发表题为“Sustainable flame-retardant epoxy resins from cardanol: Phosphorus-containing curing agents and carbon nanofiber synergy”的研究论文，通过设计并合成三种官能度不同的新型生物基阻燃环氧固化剂，为通过可再生生物基材料合成生物基阻燃环氧树脂提供了新的策略。
环氧树脂是一类重要的热固性聚合物，因其优异的化学稳定性、力学强度和电绝缘性而被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子器件、粘合剂及复合材料等领域。然而，当前主流的环氧树脂及其固化剂仍主要依赖石油基原料，其生产过程伴随较高的碳排放，不利于应对全球气候变化及实现可持续发展。同时，环氧材料普遍存在易燃性，在电气、建筑等对防火性能要求严苛的应用场景中潜在安全隐患突出。
针对上述挑战，郭文文团队设计并合成了三种基于腰果酚的生物基阻燃固化剂（C1-DPP-MA、C2-PDP-MA 和 C3-POC-MA），用于替代传统石油基固化剂，其分子结构通过 FTIR 与 NMR 得到验证。随后，研究者将三种固化剂与环氧单体DGEBA 进行热固化，分别制备得到三种阻燃环氧树脂 EP1、EP2 和 EP3，并以 DGEBA/MHHPA（EP0）作为对照。固化动力学结果表明，三种新型阻燃体系的固化活化能均高于对照样品，这归因于腰果酚分子长侧链所产生的位阻效应。在阻燃性能方面，EP1 与 EP2 表现尤为优异，其极限氧指数（LOI）分别达到 28% 和 27%，其中 EP1 更是在 UL-94 垂直燃烧测试中获得 V-0 等级。锥形量热测试进一步显示，EP1 和 EP2 的峰值热释放速率（PHRR）分别降低 52.8% 和 37.8%，且总热释放量（THR）亦显著下降。更为重要的是，腰果酚长侧链结构所赋予的增韧效应显著改善了 EP1 的韧性与断裂伸长率。在此基础上，研究团队进一步基于锥形量热测试结果，选择阻燃性能最优的 EP1，并引入碳纳米纤维（CNF），成功制备出碳纳米纤维增强生物基阻燃复合材料（EP1CF），其热稳定性、阻燃性及力学性能均得到进一步提升。综上，本研究通过腰果酚基固化剂与 CNF 的协同作用，提出了一条兼具可再生性与高性能的新途径，为环保型阻燃环氧树脂的开发与产业化应用提供了有力支撑。
我校郭文文副研究员为论文通讯作者，2022级本科生陈聿博和何思源为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22475087、22205082）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20221098）等项目的资助。
图1 摘要图
图2 三种腰果酚基前驱体（C1-DPP、C2-PDP、C3-POC）及固化剂（C1-DPP-MA、C2-PDP-MA、C3-POC-MA）的合成示意图
图3 腰果酚本征阻燃生物基环氧树脂的阻燃机理
