《Results in Materials》：Through-Thickness Fire-Retardant Distribution Influence on Fire Retardancy Properties of Glass Fibre Powder Epoxy Composites
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尽管新型阻燃剂(Flame Retardant, FR)不断取得进展，但其掺入可燃基体的方式及其对阻燃性能的影响仍未得到充分研究。本研究考察不同阻燃剂分布模式对环氧基玻璃纤维复合材料可燃性的影响。具体研究了三种分布模式：均质（即FR在各层均匀分布）、梯度（即沿
尽管新型阻燃剂(Flame Retardant, FR)不断取得进展，但其掺入可燃基体的方式及其对阻燃性能的影响仍未得到充分研究。本研究考察不同阻燃剂分布模式对环氧基玻璃纤维复合材料可燃性的影响。具体研究了三种分布模式：均质（即FR在各层均匀分布）、梯度（即沿厚度方向受控变化）及表层集中（即全部FR集中于最表层）。同时改变各板中DOPO（9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物，9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide）的体积分数以观察其对火灾性能的影响。采用手工铺层法制备九块具有不同分布模式和DOPO体积的玻璃纤维增强聚合物(Glass Fibre Reinforced Polymer, GFRP)板，利用锥形量热仪(Cone Calorimeter)评估其火灾性能，分析热释放速率(Heat Release Rate, HRR)、一氧化碳(CO)生成量及引燃时间(Time to Ignition, TTI)。结果表明，相较于均质模式，梯度和表层集中分布模式在较低DOPO总用量下更能有效降低可燃性。主要通过将DOPO置于表层并以较低总体积分数进行优化分布，比使用高体积分数均质分布更为有效。本研究阐明了可通过调整FR加载方式实现火灾性能、材料性能和成本的协同优化。
《Results in Materials》刊登的此研究围绕玻璃纤维增强粉末环氧复合材料阻燃改性的现存问题展开。传统环氧基体易燃（典型极限氧指数Limiting Oxygen Index, LOI约19%），需添加阻燃剂(Flame Retardant, FR)但传统均匀掺杂不仅用量大（>10 wt%会损害力学性能），且未考虑FR在层合板厚度方向的分布对阻燃效果的影响。已有少量研究提示梯度分布可能优于均质分布，但尚未在粉末环氧体系中对均质(Homogeneous)、梯度(Gradient)及全集中于表层(Top-most)三种模式进行系统对比，也未明确DOPO（磷系反应型无卤FR）在不同分布下的锥形量热仪指标差异。因此研究人员以玻纤/粉末环氧复合材料为对象，探究DOPO沿厚度方向分布模式及总体积分数对火灾性能的影响，旨在以更低FR用量获得更优阻燃性并兼顾成本。
研究人员制备了含控制组（无DOPO）及三种分布模式（整体DOPO体积分数分别为2.5%、5%、10%、20%）的八层GFRP层合板，采用ISO 5660标准锥形量热仪（热通量35 kW·m?2）测试引燃时间(Time to Ignition, TTI)、热释放速率(Heat Release Rate, HRR)及其峰值(pHRR)、总热释放(Total Heat Release, THR)、CO生成量及有效燃烧热(Effective Heat of Combustion, EHC)，并结合残炭形貌观察进行分析。
主要关键技术方法：
研究人员选用591 gsm单向缝编玻璃织物与苯并噁嗪粉末环氧(PE6405)为基材，以DOPO(OR53111)为反应型磷系阻燃剂，手糊铺层8层玻纤布于钢模中，按三组分布模式配料——均质模式各层掺相同比例DOPO；梯度模式自表层向内DOPO比例递减；表层集中模式仅最表层掺DOPO余层只加粉末环氧——控制板不含DOPO。经真空袋封装按预设程序固化（40℃除湿8 h→120℃熔渗1 h→180℃后固化2 h→缓冷）。制得的九种试样（含对照C;0;0、H;5;2.5、H;20;10、G;5;10、G;10;20、G;20;40、T;2.5;10、T;5;20、T;10;40）切割为100 mm×100 mm，底部垫陶瓷纸铝箔包裹，按ISO 5660以35 kW·m?2热辐射开展锥形量热测试，每组平行三次取典型曲线分析TTI、HRR/pHRR、THR、CO产率及EHC，并拍照记录残炭。
研究结果
3.1. Visual Observations（目视观察）：
燃烧后对照组(C;0;0)仅边缘存微量残炭；含DOPO试样随DOPO总量增加残炭增多。表层DOPO浓度相同时（如T;2.5;10与G;5;10、H;20;10相比），表层富集DOPO者表面炭层覆盖更完整，T;10;40因最高表层DOPO形成连续致密炭层遮蔽玻纤，证实表层DOPO可促进保护性炭层形成阻隔热向内部传递。
3.2. Time to Ignition (TTI)（引燃时间）：
所有含DOPO板TTI均低于对照组（C;0;0为125 s），且随整体DOPO体积分数升高TTI系统性缩短（H系列5%→20%由114 s降至95 s；G系列5%→20%由107 s降至97 s；T系列2.5%→10%由119 s降至110 s）。原因是DOPO促进低温成炭分解并释放一定可燃挥发分，使更早达到引燃条件，表明阻燃设计需在降低HRR与提前引燃间权衡。
3.3. Heat Release Rate (HRR)（热释放速率）：
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3.3.1. Influence of DOPO Volume Fraction Variation（DOPO体积分数变化的影响）： 对照组pHRR达2.84 kW、THR 477.8 MJ；加入DOPO后pHRR与THR均下降，且随总DOPO量增加降幅增大（H;5;2.5 pHRR 2.00 kW/THR 304.9 MJ，H;20;10 pHRR 1.50 kW/THR 241.4 MJ；G;20;40 pHRR 1.46 kW/THR 238.3 MJ）。超过阈值后增DOPO对HRR改善趋于平缓。DOPO通过凝聚相催化脱水成炭及气相捕获自由基双重机制降低单位质量有效燃烧热(Effective Heat of Combustion, EHC)。
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3.3.2. Influence of Distribution Mode for Equal Total Volume of DOPO（等总DOPO量下分布模式影响）： 同总体积（如5%）时，表层集中(T;5;20)与梯度(G;5;10)在HRR增长阶段（0–250 s）低于均质(H;5;2.5)，pHRR三者相近但表层模式TTI略短；梯度与表层模式在同等总含量下较均质更有效延缓初期HRR上升，梯度分布因表内层较高DOPO促成更快形成隔热炭层。
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3.3.3. Influence of Distribution Mode for Equal Surface Layer Concentration（等表层浓度下分布模式影响）： 固定表层DOPO浓度（如10%），仅需总体积2.5%（T;2.5;10）即可使pHRR降25.7%、THR降25.3%，而均质达同等表层浓度需总体积20%（H;20;10，pHRR降47.2%/THR降49.5%）。梯度因整体DOPO总量更高通常获最低pHRR与THR，但表层集中模式以显著更少总FR用量接近梯度效果，说明集中FR于受火面可在低用量下获得可接受阻燃性。
3.4. CO Generation（一氧化碳生成）：
DOPO添加使平均CO产率升高，随DOPO总量及表层浓度增大而增（G;20;40最高）。炭层阻碍氧气向热解区扩散致不完全燃烧，使CO/CO2比升高，此为磷系FR典型现象。顶层分布模式中CO产率先升后微降，过高DOPO(10%总体积T;10;40)未见CO进一步显著增加，提示存在收益拐点。
3.5. Effective Heat of Combustion (EHC)（有效燃烧热）：
对照组EHC 21.4 MJ/g，含DOPO组EHC降低且随DOPO量增加下降（H;20;10降至13.9 MJ/g）。均质分布EHC最低，梯度略高，顶层分布各总用量下EHC最高，反映顶层分布主要靠表面炭层隔热而非深层大幅减少可燃气释放。
讨论与结论翻译（Conclusions部分归纳及翻译）：
本研究表明FR沿厚度分布模式（均质、梯度、表层集中）显著影响玻纤环氧复合材料火灾性能。同分布模式下DOPO含量越高HRR越低；梯度与表层集中模式通过将DOPO置于受火面促进表面成炭，在较低总DOPO用量下比均质分布更有效降低可燃性——例如梯度模式20%总DOPO使THR降低50.1%并延迟达pHRR时间。DOPO过量添加对HRR改善呈非线性递减，且会增加CO产率并缩短TTI。优化FR处理须平衡HRR抑制、引燃提前、不完全燃烧产物（如CO）毒性及成本。在粉末环氧体系中采用梯度或表层集中DOPO分布可在同等总FR量下提升阻燃表现，或同等阻燃水平下减少FR总需求量，为兼顾火灾安全、力学性能保留与成本控制的复合材料设计提供框架。未来需考察分布模式对力学性能、长期耐久性影响，及自动化梯度铺层工艺、其他无卤FR拓展与多因素权衡。
结论原文要点翻译：
本研究证明FR不同厚度分布模式影响材料火灾性能指标。与无DOPO对照相比，含20%总体积DOPO的梯度板THR降低50.1%且达pHRR时间延后。DOPO主要通过促进炭层形成降低HRR，故将DOPO负载于表层的梯度和顶层配置有利于表面成炭；炭层形成后基体内部DOPO对HRR进一步降低贡献有限。HRR降低随DOPO总浓度呈非线性关系，需确定最优DOPO浓度以避免无效增量。添加DOPO会增加CO产率并降低TTI值。虽然更多FR可降低pHRR和THR，但应权衡引燃易度、不完全燃烧产物生成及成本。梯度和表层DOPO分布可在相同总FR浓度下降低HRR行为，表明FR浓度梯度设计可减少总体FR需求，为针对性深度施加FR及评估其效能提供框架，强调优化FR处理时需平衡各项火灾特性。
