水性聚氨酯（WPU）因其优异的耐磨性、附着力和低毒性，在皮革涂饰、胶粘剂、涂料等领域应用广泛。然而，其固有的易燃性及燃烧过程中产生的大量烟雾和高温熔滴，严重威胁人身安全和财产，成为制约其应用的关键瓶颈。近日，我院国家制革技术研究推广中心王全杰/段宝荣教授团队在该领域取得突破，设计合成了两类新型氮-磷协同阻燃剂，在保证水性聚氨酯力学性能的同时实现了其高效阻燃，为开发环保型高性能阻燃材料提供了新思路。

与反应型阻燃剂相比，添加型阻燃剂因工艺简单、成本优势明显，在实际生产中更具推广潜力，但其与水性聚氨酯乳液复配时常因相容性差而导致分散不均、易迁移析出等问题。针对这一难题，团队首先设计合成了一种新型水溶性氮-磷添加型阻燃剂MADP。研究系统考察了MADP对WPU乳液性能、力学性能、热稳定性及阻燃性能的影响。结果表明，当MADP添加量为8%时，改性WPU的LOI由20.2%提升至27.3%，垂直燃烧测试（UL-94）达到V-0级，燃烧熔滴现象被完全抑制。锥形量热测试显示，改性材料的峰值热释放率（pHRR）降低32.59%，总烟释放量（TSP）减少60.53%，表现出显著的抑烟效果。热重分析表明，600℃下残炭率从4.75%增至7.70%，提高了62.1%，热分解活化能从23.05 kJ/mol升至29.14 kJ/mol。进一步的机理研究表明，MADP通过气相自由基淬灭与不可燃气体稀释，以及凝聚相催化成炭形成致密石墨化炭层的协同作用，实现了高效阻燃。

图1 水溶性氮-磷阻燃剂（MADP）

的阻燃性能和阻燃机理

上述成果为开发工艺简单、相容性好、阻燃效率高的水性聚氨酯阻燃体系提供了新的技术路径和理论依据。上述成果发表在Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 740 (2026) 140248杂志上。

在添加型阻燃剂取得突破的基础上，团队进一步在反应型阻燃剂方向展开探索，成功合成了一种含有双DOPO结构的氮-磷反应型阻燃剂PHED，并将其成功引入WPU主链，在保持材料力学性能的同时实现了高效阻燃。研究表明，PHED作为反应型阻燃剂参与到WPU的硬段结构中。随着PHED添加量的增加，改性WPU的极限氧指数（LOI）逐步提升，当添加量达到12%时，LOI从纯WPU的21.2%提高至28.6%，垂直燃烧测试（UL-94）由无等级提升至V-0级，且燃烧过程中无熔滴产生。锥形量热测试结果显示，12% PHED-WPU的峰值热释放率（pHRR）降低22.9%，总热释放量（THR）减少30.5%，总烟释放量（TSP）降低43.6%，表现出显著的热释放抑制和抑烟效果。热重分析表明，600 ℃下残炭率从4.98%增至7.37%，提高了47.99%，热分解活化能从24.38 kJ/mol升至27.02 kJ/mol。进一步的机理研究表明，PHED通过气相与凝聚相协同作用实现阻燃：在气相中，PHED分解释放含磷自由基（如PO₂·、PO·）淬灭燃烧链反应中的活性自由基，同时释放NH₃、HCN等不可燃气体稀释氧气浓度；在凝聚相中，DOPO基团分解生成磷酸及聚磷酸，催化WPU脱水成炭，形成致密、连续、石墨化程度高的膨胀炭层，有效隔绝热氧传递。

图2 PHED改性水性聚氨酯的阻燃机理

值得注意的是，PHED作为反应型阻燃剂参与WPU硬段构建，不仅未损害材料力学性能，反而因增加了硬段含量及氢键作用，使改性材料的拉伸强度随PHED添加量增加而提升，突破了传统阻燃改性往往牺牲力学性能的局限。上述成果发表在涂料权威杂志Progress in Organic Coatings 205 (2025) 109330上。基于该研究成果的工业转化应用，团队申报了发明专利“自修复、耐熔滴、耐磨耗聚氨酯涂料的制备及应用方法”，该专利技术在由国家知识产权局主办的首届长江经济带高价值专利转化运用大赛中荣获银奖。

烟台大学为上述论文的第一完成单位，国家制革技术研究推广中心段宝荣教授、翁永根副教授为论文的共同通讯作者，学院国家奖学金获得者硕士生丁燕波为论文第一作者，学院高分子专业本科生刘刚磊、杨广显，应化专业王嘉宁参与了论文的实验工作。上述工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省科技型中小企业创新能力提升工程等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2026.140248

https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2025.109330