High-Strength, Recyclable, and Flame-Retardant Polyurethane Elastomers Enabled by Phosphorus Groups and Hydrogen Bonding

材料科学 聚氨酯 弹性体 单体 热塑性聚氨酯 韧性 极限氧指数 热塑性弹性体 极限抗拉强度 复合材料 氢键 聚合物 复配 二醇 化学工程 限制 高分子化学 航空航天 热稳定性 氧气 热塑性塑料
作者
Yunmeng Jiang,Haoran Zhang,Yuanyuan Zhang,Fuhao Dong,He Liu,Xu Xu
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (21): 14861-14872
标识
DOI:10.1021/acsapm.5c03159
摘要

A persistent challenge in thermoplastic polyurethane elastomers (TPUs) used in fire-prone environments is reconciling high flame retardancy with a superior mechanical performance. To address this issue, a phosphorus-rich benzene-containing diol monomer (P-D) was designed and synthesized from 9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (DOPO) and terephthalaldehyde (TPA). Leveraging the synergistic effects of P-D and multiple hydrogen bonds, we successfully prepared a high-performance polyurethane elastomer, designated PD–PU-3. Compared with the baseline polyurethane (BPU), PD–PU-3 incorporating the P-D monomer exhibited significantly enhanced thermal stability. The incorporation of multiple hydrogen bonds markedly improved mechanical performance, achieving a tensile strength of 31.4 MPa and a toughness of 282.08 MJ·m–3. In terms of flame retardancy, PD–PU-3 exhibited outstanding intrinsic properties, with a limiting oxygen index (LOI) of 29.2% and successful achievement of the UL-94 V-0 rating. Furthermore, PD–PU-3 demonstrated excellent recyclability and favorable processing characteristics. This study provides a strategy for fabricating high-performance, intrinsically flame-retardant polyurethane elastomers with enhanced practical applicability. The developed materials hold broad potential for applications in fire-resistant coatings, aerospace components, and construction fireproofing.
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