阻燃聚乳酸/芦苇复合材料的制备与表征

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聚乳酸(PLA)是一种以可再生资源为原料制备的可降解聚合物,具有优异的加工性能和力学性能,但是其高成本限制了PLA材料的广泛应用。芦苇资源分布广泛,尤其是雄安新区白洋淀芦苇资源化利用受到越来越多的关注。PLA/芦苇复合材料极易燃烧,需要对复合材料进行阻燃处理。本文分别制备了阻燃芦苇,磷酰化芦苇阻燃剂和芦苇基木质素阻燃剂,制备了阻燃PLA/芦苇复合材料,采用万能试验机、热重分析仪(TGA)、极限氧指数仪(LOI)、锥形量热仪(Cone)研究了芦苇基阻燃剂对PLA复合材料的力学性能和阻燃性能。具体内容如下:第一部分,以脒基脲磷酸盐(GUP)为阻燃剂,采用浸渍法制备了阻燃芦苇粉(IFRF),研究了浸渍时间、浸渍压力等因素对浸渍效果的影响,浸渍处理后的IFRF难燃性与800oC残余质量均提高。将IFRF应用于PLA中,探讨了浸渍阻燃剂法与直接混合阻燃剂法对阻燃PLA复合材料的性能影响,实验结果表明在同样阻燃剂用量时,浸渍法比直接混合法所得复合材料的阻燃性能相近,而力学性能更优。当IFRF添加量为40 wt%时,阻燃复合材料与未阻燃的复合材料相比,其弯曲强度仅降低11.3%,为233.7 MPa,拉伸强度降低18%,为43.7 MPa;直接混合阻燃剂的复合材料,其力学性能下降较大,弯曲强度和拉伸强度分别下降到199.8 MPa和29.5 MPa。同时,阻燃PLA复合材料的极限氧指数(LOI)达到25%,热释放峰值(p HRR)下降为264 k W/m2,与未阻燃PLA/芦苇的复合材料相比下降51.7%。第二部分,以芦苇纤维、五氧化二磷和尿素为原料,在研磨仪中通过机械力化学对芦苇纤维进行磷酰化改性,获得具有阻燃效果的磷酰化芦苇纤维(MPRF),通过设计正交实验对原料比例进行调整,得到最佳磷酰化配比。实验表明,MPRF的残炭率由纯芦苇的22%提高到36.6%。当MPRF添加量为40 wt%时,复合材料的LOI为25.1%,其800 oC的残炭率(15.8%)与纯复合材料的10.7%相比有明显提高。其p HRR为336.9k W/m2,而未阻燃的复合材料的p HRR为547 k W/m2,表明MPRF具有阻燃效果。添加40 wt%MPRF后复合材料其弯曲强度为277 MPa拉伸强度为44.7 MPa,相比于纯复合材料的弯曲强度(298 MPa)与拉伸强度(57.2 MPa)下降较少。第三部分,选择芦苇组分中的木质素为原料,通过两步法在芦苇基木质素上成功接枝了聚乙烯亚胺和多聚磷酸,制备了芦苇基木质素阻燃剂(PNr-lignin)。将PNr-lignin与MPRF进行复配制备阻燃PLA复合材料,当复合材料中PLA添加量为70%时,PNr-lignin与MPRF分别为20 wt%和10 wt%时,复合材料的LOI可达到30.8%,其UL-94为V-0级。Cone结果表明,PNr-lignin的加入降低了燃烧过程中的p HRR(214.37 k W/m2),同时PNr-lignin的加入对复合材料的机械性能影响较小。实验结果表明PNr-lignin对PLA/芦苇体系是一种优良的阻燃剂。
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