膨脹阻燃聚乳酸復合材料的制備、性能和阻燃機理研究.pdf

1、聚乳酸是一種來源于可再生農(nóng)作物的完全可生物降解聚合物，其良好的力學性能和生物相容性使其成為公認的可以在一定程度上取代傳統(tǒng)石油基聚合物，但是其燃燒熔滴現(xiàn)象嚴重等問題限制了其應用范圍，因此需要對其進行阻燃處理。本文在大量文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜述了聚乳酸基本性能、聚乳酸的阻燃研究及POSS和碳納米管作為聚合物阻燃劑的研究。針對聚乳酸燃燒熔滴現(xiàn)象嚴重的問題，采用膨脹型阻燃體系作為聚乳酸的阻燃劑，制備了阻燃復合材料，研究了材料的阻燃性能和阻燃機理，

2、并將新型膨脹阻燃技術(shù)如包裹技術(shù)和三元一體膨脹阻燃技術(shù)應用于聚乳酸的阻燃，同時將POSS和碳納米管作為阻燃協(xié)效劑引入聚乳酸阻燃體系，研究了POSS和碳納米管對聚乳酸熱降解機理和阻燃性能的影響，并討論了阻燃機理。
　　 本論文歸納起來分以下幾個部分：
　　 1.合成了成炭劑PEPA和ODOPM并將其與MP復配組成膨脹型阻燃體系應用于聚乳酸的阻燃。研究表明MP/ODOPM可以提高聚乳酸的極限氧指數(shù)，降低聚乳酸的PHRR，并能使

3、聚乳酸通過UL94 V0測試，其最佳配比為1：1；MP/PEPA的加入可以極大的提高聚乳酸的極限氧指數(shù)，復合材料能通過UL94 V0測試，同時復合材料燃燒時并不產(chǎn)生熔滴現(xiàn)象，PU的加入可以提高復合材料的拉伸強度和沖擊強度，并且使得燃燒后形成的炭層更加致密。
　　 2.以10-(2，5-二羥基苯基)-10-氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(DOPO-BQ）和聚磷酸銨（APP）為酸源，以異氰尿酸三縮水甘油酯（TGIC）為氣源

4、，以聚乳酸為炭源制備了膨脹型阻燃聚乳酸復合材料。研究表明膨脹型阻燃體系能夠提高聚乳酸的極限氧指數(shù)，并能使得復合材料達到UL94 V0級別。MCC結(jié)果顯示，膨脹型阻燃劑能夠降低復合材料的PHRR，TGA結(jié)果顯示，阻燃復合材料的熱穩(wěn)定性和熱解后成炭量都比聚乳酸高。對炭渣進行分析表明，復合材料的膨脹炭層較為致密，提高了材料的火災安全性。制備了“三元一體”膨脹型阻燃劑BTOCPM，將其應用于聚乳酸阻燃，可以明顯提高聚乳酸的阻燃級別，機理研究表明

5、BTOCPM可以促進聚乳酸的燃燒成炭。動態(tài)力學研究表明，BTOCPM與聚乳酸的相容性較好。
　　 3.為了降低阻燃劑的吸水性，提高阻燃劑與聚乳酸基體的相容性，降低材料的成本，以微膠囊包裹聚磷酸銨（PUMAPP）為酸源，三聚氰胺為氣源，淀粉為炭源的膨脹阻燃體系應用于聚乳酸阻燃。膨脹阻燃聚乳酸復合材料的極限氧指數(shù)有著極大的提高，同時能夠通過UL94 V0測試，并且其PHRR和THR相比純聚乳酸都有所降低。TGA測試表明其熱穩(wěn)定性和熱

6、解成炭量都有所提高。TG-FTIR、RTFTIR及XPS分析可得知膨脹阻燃體系的加入可以增加不可燃揮發(fā)性氣體的釋放量，并且使得聚乳酸燃燒時，其表面形成致密炭層，提高了材料的火災安全性。
　　 4.將TPOSS作為阻燃協(xié)效劑引入微膠囊包裹聚磷酸銨和三聚氰胺膨脹阻燃體系，并應用于聚乳酸阻燃。研究表明，TPOSS以納米尺寸聚集于復合材料基體中。IFR與TPOSS在一定的比例下能夠大大提高聚乳酸材料的氧指數(shù)，并能夠通過UL94 V0測試

7、，同時能夠極大的降低聚乳酸的PHRR和THR，隨著TPOSS添加量的增加，阻燃復合材料的成炭量增加明顯，膨脹性更加明顯，并且燃燒時不會出現(xiàn)熔融滴落現(xiàn)象。對RTFTIR、TG-FTIR及XPS的測試結(jié)果進行分析，得到TPOSS協(xié)效膨脹阻燃聚乳酸復合材料的阻燃機理為：在燃燒初期囊材降解、破裂，PUMAPP放出磷酸和大量不燃性氣體，催化PLA降解，形成膨脹、多孔炭層；TPOSS受熱氧化降解生成SiO2類物質(zhì)覆蓋在炭層的表面，提高炭層的熱穩(wěn)定性

8、。此炭層會阻止氣相和固相之間的熱與質(zhì)量交換，阻止內(nèi)部材料的進一步燃燒，達到阻燃的目的。
　　 5.將MWNTs和POSS作為阻燃協(xié)效劑引入PEPA/MP膨脹阻燃聚乳酸體系，研究了它們對復合材料的熱降解性能和阻燃性能的影響。惰性氣氛中和空氣氣氛中，MWNTs的引入可以提高復合材料在高溫區(qū)的熱穩(wěn)定性和成炭量，MWNTs在復合材料基體中主要作用是形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻止了熱解氣體的釋放；MCC和LOI結(jié)果表明，當MWNTs的添加量達到一定程

9、度時可以明顯提高復合材料的LOI，PHRR也有所降低?？諝鈿夥障?，MWNTs的加入可以提高復合材料的氧指數(shù)和成炭量，但是對熱氧化降解機理沒有明顯的影響。惰性氣氛下，TPOSS在較低的溫度下升華和裂解，導致復合材料的起始熱降解溫度提前，對復合材料高溫下的熱穩(wěn)定性和成炭量沒有明顯影響；TG-FTIR結(jié)果表明，TPOSS可以降低復合材料的二氧化碳和環(huán)狀低聚物的釋放，提高一氧化碳的釋放；空氣氣氛下，TPOSS改變了復合材料的熱氧化降解機理，提高