重点实验室贺爱华教授团队：构建阻燃二元橡胶复合体系网络结构及对其综合性能提升机制

　　近日，青岛科技大学贺爱华教授、刘晨光副教授在国际权威期刊Polymer Degradation and Stability上发表了题为“Investigation into the Flame Retardant Composite of Natural Rubber Modified by Crystalline Trans-1.4-poly (butadiene-co-isoprene) block Copolymer (TBIR)”的研究成果。研究围绕天然橡胶(NR)/反式-1.4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶(TBIR)复合材料，系统探讨了通过构筑二元橡胶体系凝聚态网络结构，改善NR@IFR阻燃复合材料综合性能与阻燃行为的影响机制。通过调节TBIR协同阻燃剂在橡胶基体中的稳定网络，实现了橡胶复合体系的动态疲劳寿命的提高及燃烧行为的有效抑制。

　　天然橡胶因其优异的弹性、耐磨性及力学性能广泛应用于多个领域，但其极限氧指数(LOI)低限制了其在高火灾风险环境中的应用。但本征阻燃体系制备复杂，卤素阻燃体系存在环境污染问题。主流的纳米复合协同阻燃体系因极性差异在橡胶基体中分散不良，从而影响材料力学性能。关于NR在高动态负荷环境下的阻燃行为研究鲜少报道，发展兼具阻燃性与动态机械性能的橡胶材料成为亟需突破的技术瓶颈。

　　TBIR为反式-1.4-聚(丁二烯-异戊二烯)结晶嵌段共聚橡胶，其在静态和动态老化过程中结构稳定性好。贺爱华教授团队通过一种简便环保的工艺，成功制备了NR/TBIR@IFR阻燃橡胶。通过引入一系列TBIR，优化了阻燃剂在NR橡胶基体中的分布与网络构筑方式，改善NR@IFR阻燃复合材料综合性能与阻燃行为。

　　研究发现，混炼胶室温停放过程中， TBIR高反式结构形成的纤维结晶作为物理交联点(图1)，形成稳定的凝聚态三维填料网络，有效抑制极性填料在混炼和储存过程中的聚集行为，提高了阻燃剂的分散稳定性。硫化胶中多硫键含量随TBIR份数增加，在动态疲劳中多硫键形变使橡胶分子链取向结晶，预先构建的阻燃剂网络有效缓释了应力集中，阻止动态疲劳中裂纹产生及生长。NR/TBIR@IFR复合材料在300%拉伸下表现出更高模量、热积累减少，拉伸疲劳寿命提高了129.3%，有效解决了阻燃剂添加所导致的NR力学性能下降问题。

　　阻燃复合材料引入TBIR后形成更均匀的阻燃剂网络结构，协同增强NR的脱水和均匀炭化能力，减少易燃缺陷，在燃烧初期即迅速形成均匀致密隔热炭层。不仅能隔绝热传导、减弱氧气扩散，还能抑制火焰燃烧速度及烟雾释放速率。此外，高温下TBIR的较大复数粘度可降低熔体层气泡尺寸，进一步保护炭层结构完整性，避免火焰在气相和凝聚相中蔓延(图2)。随着TBIR的添加，NR/TBIR@FIR体系的LOI、点火时间和成炭率均得到显著的增加，最大热释放值下降了22.4%，总热释放下降了16%。该研究为在高疲劳使用环境下开发环保型阻燃橡胶材料提供了一种新的策略。

　　图1 AFM图像展示不同配比下TBIR在NR中的三维网络结构构筑效果: (a) NR/TBIR=90/10; (b) NR/TBIR=80/20; (c) NR/TBIR=70/30; (d) NR/TBIR=0/100

　　该研究结果发表于Polymer Degradation and Stability，第一作者为青岛科技大学硕士研究生赵晶晶，通讯作者为刘晨光副教授与贺爱华教授。文章链接为https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2025.111409.

　　通讯作者简介

　　贺爱华，青岛科技大学高分子材料与工程学院教授、博士生导师、学科带头人、泰山学者特聘专家、全国三八红旗手。2022年、2023年连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”(交叉领域)。主要研究方向为橡胶纳米复合材料结构与性能、橡塑新材料的设计合成、Ziegler-Natta催化剂、Janus材料应用等。主持国家科技支撑计划、973计划、国家自然科学基金、山东省重大基础研究项目、山东省重大科技创新工程等多项课题。2025年以第一发明人获山东省技术发明一等奖、2017年获青岛市技术发明二等奖等。以第一作者/通讯作者身份发表论文200余篇、获授权发明专利30余项。担任Journal of Nanomaterials和International Journal of Polymer Science客座主编和《高分子通报》编委。

　　刘晨光，青岛科技大学高分子材料与工程学院副教授。研究方向为聚合物材料结构与性能、橡塑材料的加工与功能化。主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金等多项课题，参与国家863计划、国家973计划、国家科技支撑项目等重大项目。研究成果发表在Polym Degrad Stabil、Polym Test、Carbohydr Polym、Polymer、Chin J Polym Sci 等国际权威期刊，获授权多项发明专利，获山东省技术发明一等奖、教育部高等学校优秀成果二等奖等科研奖励。