黎航，劉志鵬，楊政，凌敏，張蕤

(南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，南京210037)

有機(jī)蒙脫土協(xié)同殼聚糖基膨脹型阻燃劑阻燃聚乳酸研究

黎航，劉志鵬，楊政，凌敏，張蕤*

(南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，南京210037)

為改善聚乳酸的阻燃性能，利用植酸改性殼聚糖(PAMC)與三聚氰胺磷酸鹽(MPP)復(fù)配得到一種新型膨脹型阻燃劑(IFR)體系，并將有機(jī)蒙脫土(OMMT)作為協(xié)效劑，通過熔融共混法制備阻燃聚乳酸(PLA)復(fù)合材料(PLA/PAMC/MPP/OMMT)。通過極限氧指數(shù)(LOI)、錐形燃燒量熱(CONE)測(cè)試、垂直燃燒法(UL-94)和熱重分析(TGA)測(cè)試分析復(fù)合材料的阻燃性能、燃燒性能和熱穩(wěn)定性能。采用掃描電鏡(SEM)和X-射線光電子能譜(XPS)對(duì)復(fù)合材料的炭渣進(jìn)行分析，研究了OMMT與PAMC/MPP在PLA復(fù)合材料中的阻燃協(xié)效作用。結(jié)果表明：與純PLA相比，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的PAMC/MPP后，PLA2的LOI值、UL-94等級(jí)和800℃時(shí)的殘?zhí)苛糠謩e由21、NR和0.61%增至27.5、V-1級(jí)和17.28%，HRR曲線的峰值(PHRR)和總熱釋放量(THR)值分別由533.5 kW/m2和81.7 MJ/m2下降至270.2 kW/m2和63.7 MJ/m2。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的OMMT后，PLA3的LOI值和殘?zhí)苛坷^續(xù)增加至30.0和18.58%，PHRR和THR值進(jìn)一步下降至251.6 kW/m2和60.6 MJ/m2，UL-94等級(jí)達(dá)到V-0級(jí)，且熔融滴落現(xiàn)象消失。OMMT與PAMC/MPP之間存在較好的協(xié)同效應(yīng)，可有效改善PLA復(fù)合材料的阻燃性能，本研究結(jié)果可為制備綠色阻燃PLA復(fù)合材料提供理論依據(jù)。

聚乳酸；植酸改性殼聚糖；有機(jī)蒙脫土；阻燃性能；協(xié)效

近年來，可持續(xù)發(fā)展問題受到廣泛關(guān)注，環(huán)境友好、生物基聚合物逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-4]。聚乳酸是一種生物基綠色熱塑性聚合物，其單體乳酸主要來源于玉米、土豆等植物資源，有良好的生物相容性和生物可降解性，且具有力學(xué)性能優(yōu)異、透明性好、氣體阻隔性好、來源豐富等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品包裝、電器行業(yè)、汽車工業(yè)、藥物載體等領(lǐng)域[5-6]。但聚乳酸的阻燃等級(jí)只有UL-94 HB級(jí)，極限氧指數(shù)(LOI)僅為21，在使用過程中易燃，且燃燒時(shí)伴有嚴(yán)重的熔融滴落現(xiàn)象，嚴(yán)重限制其在包裝等領(lǐng)域更為廣泛的使用[7]。因此，有關(guān)聚乳酸的阻燃改性研究受到較多關(guān)注[8]。

傳統(tǒng)的含鹵阻燃劑會(huì)危害人類健康，破壞地球環(huán)境，因此，無鹵、低煙低毒、環(huán)境友好的膨脹型阻燃劑開發(fā)和應(yīng)用研究逐漸受到關(guān)注[9-10]。然而，膨脹型阻燃劑仍存在阻燃效率低、惡化材料力學(xué)性能等不足。利用有機(jī)蒙脫土(OMMT)與石油基膨脹型阻燃劑復(fù)配阻燃聚合物材料的應(yīng)用研究結(jié)果表明，將納米尺度的填料與膨脹型阻燃劑復(fù)配不僅能減少阻燃劑用量，且能平衡材料的阻燃性能和其他性能，獲得綜合性能良好的材料[11-15]。本課題組對(duì)天然高分子基膨脹型阻燃劑的開發(fā)及阻燃生物基高分子材料的應(yīng)用進(jìn)行了研究。Zhang等[16]將聚磷酸銨與木質(zhì)素復(fù)配制得的膨脹型阻燃劑與有機(jī)蒙脫土協(xié)同用于阻燃聚乳酸(PLA)，探討了3種不同層間距的有機(jī)蒙脫土對(duì)協(xié)效作用的影響，得到的復(fù)合材料的LOI高達(dá)35.5，阻燃等級(jí)達(dá)UL-94 V-0級(jí)且滴落現(xiàn)象顯著改善。張蕤等[17]分析了海藻素鈉、木質(zhì)素和殼聚糖等3種天然高分子在阻燃生物聚酯聚(3-羥基丁酸酯-co-4羥基丁酸酯)[P(3,4)HB]中的成炭作用，研究發(fā)現(xiàn)：在相同含量時(shí)只有添加木質(zhì)素的體系能達(dá)到阻燃級(jí)別V-0級(jí)，而未改性的海藻酸鈉和殼聚糖均未能達(dá)到相應(yīng)的阻燃等級(jí)。

筆者針對(duì)殼聚糖基膨脹型阻燃劑阻燃效率低問題，使用基于生物質(zhì)的植酸改性殼聚糖與三聚氰胺磷酸鹽(MPP)復(fù)配制備膨脹型阻燃劑(IFR)，并采用有機(jī)改性蒙脫土作為阻燃協(xié)效劑，以聚乳酸為基體，通過熔融共混法制備阻燃聚乳酸復(fù)合材料，以改善聚乳酸的阻燃性能和熱穩(wěn)定性能，為制備綠色阻燃PLA復(fù)合材料提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

三聚氰胺磷酸鹽(MPP)，蘇州安宏泰新材料有限公司；聚乳酸(PLA)，4032D，美國(guó)Nature Work公司；殼聚糖(CS，脫乙酰度介于85.0%～95.0%之間)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鹽酸(HCl，質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于36%～38%之間),揚(yáng)州滬寶化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉(NaOH,純度≥96.0%)，南京化學(xué)試劑有限公司；植酸(PA，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的水溶液)，阿拉丁化學(xué)有限公司;鈉基蒙脫土(Na+-MMT),浙江豐虹新材料股份有限公司；十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。試驗(yàn)中使用去離子水為實(shí)驗(yàn)室自制，電導(dǎo)率為18 MΩ。

1.2 試驗(yàn)儀器

密煉機(jī)，Su-70ML，常州溯源橡膠科技有限公司；平板硫化機(jī)，HPC-100(D)，上海西瑋馬力橡膠機(jī)械公司。

1.3 植酸改性殼聚糖的制備

首先，將一定量干燥的殼聚糖粉末分散到去離子水中強(qiáng)烈攪拌直至形成懸浮液，然后使用5.0 mol/L的HCl 或NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH至1.5并繼續(xù)攪拌一段時(shí)間直至形成均相的殼聚糖溶液A。植酸溶液的制備步驟與上述步驟相似，但其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%，是殼聚糖溶液的2倍，將PA溶液命名為溶液B。將過量的溶液B以一定速度滴加到溶液A中直至形成一種白色沉淀物，通過過濾收集沉淀物并用去離子水反復(fù)洗滌至中性，最后在60℃真空烘箱中干燥，研磨得到植酸改性殼聚糖粉末[18]。

1.4 有機(jī)改性蒙脫土(OMMT)的制備

將一定量的Na+-MMT添加到80℃的去離子水中攪拌得到懸浮液，然后將一定量的CTAB溶于微熱的去離子水中。將上述CTAB溶液加入Na+-MMT懸浮液中80℃攪拌3 h，反應(yīng)完成后過濾，用溫水反復(fù)洗滌直至使用AgNO3溶液檢測(cè)不到Br-離子，干燥，研磨后過200目(75m)篩得到產(chǎn)物OMMT。

1.5 PLA/PAMC/MPP/OMMT阻燃納米復(fù)合材料的制備

上述制備的植酸改性殼聚糖(PAMC)與MPP復(fù)配獲得膨脹型阻燃劑體系，將有機(jī)改性蒙脫土作為阻燃協(xié)效劑，PLA作為基體，制備阻燃聚乳酸復(fù)合材料。步驟如下：首先將經(jīng)干燥后的一定量PLA于175℃左右的密煉機(jī)中加熱熔融；其次，待PLA完全熔融后，將按比例稱量后的有機(jī)改性蒙脫土加入密煉機(jī)中；最后，加入的一定量有機(jī)蒙脫土與PLA混合均勻后，將一定量按質(zhì)量比(MPP∶PAMC=2∶1)復(fù)配的MPP/PAMC復(fù)合阻燃劑加入，在轉(zhuǎn)速為45 r/min下熔融共混約10 min，制得阻燃聚乳酸復(fù)合材料。將制備的樣品在180℃、壓力為5 MPa條件下熱壓5 min，升高壓力為15 MPa繼續(xù)壓2 min得到3 mm厚板材。阻燃復(fù)合材料的配比及命名如表1所示。

表1 阻燃聚乳酸復(fù)合材料的組成配比

注：PLA，聚乳酸；OMMT，有機(jī)蒙脫土；IFR，膨脹型阻燃劑，由三聚氰胺磷酸鹽(MPP)和植酸改性殼聚糖(PAMC)組成，兩者質(zhì)量比為2∶1。

1.6 材料的測(cè)試與表征

極限氧指數(shù)(limitted oxygen index, LOI)測(cè)定：根據(jù)ASTM D2863—77標(biāo)準(zhǔn)將尺寸為100 mm×6.5 mm×3 mm樣條用HC-2型氧指數(shù)測(cè)定儀(江寧分析儀器廠)進(jìn)行測(cè)定。

UL-94測(cè)試：按GB 2408—80標(biāo)準(zhǔn)將尺寸為130 mm×13 mm×3 mm試樣樣條在CZF-3型水平垂直燃燒測(cè)定儀上進(jìn)行測(cè)定。

熱失重分析(TGA)：氮?dú)鈿夥障率褂肨A Instruments Q5000IR型熱分析儀，以10℃/min的升溫速率將樣品量為5～10 mg的試樣從室溫加熱至800℃進(jìn)行熱重測(cè)試分析。

掃描電子顯微鏡(SEM)分析：將經(jīng)馬弗爐加熱后的樣品完整炭渣進(jìn)行蒸金處理后，使用AMRAY 1000B 型掃描電子顯微鏡觀測(cè)分析炭渣的形貌。

X-射線光電子能譜(XPS)分析：測(cè)試光源選用Al Kα(hv=1 253.6 eV)激光輻射光譜，在VG ES-CALAB MKII型電子能譜儀上進(jìn)行XPS測(cè)定。

紅外光譜(FT-IR)測(cè)試：在分辨率為0.2 cm-1的Spectrometer Spectrum Two型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR, 4 000～500 cm-1，PerkinElmer)上，采用溴化鉀壓片形式測(cè)定。

錐形量熱測(cè)試：根據(jù)ISO 5600標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法將尺寸為100 mm×100 mm×3 mm試樣用英國(guó)Stanton Redcroft公司生產(chǎn)的錐形量熱計(jì)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)時(shí)所用的輻射熱通量為35 kW/m2。

X-射線衍射分析：采用日本理學(xué)D/max-3C型X-射線衍射儀，Cu靶Kα輻射源(λ=0.154 056 nm)，掃描頻率為2°/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外分析

圖1 CS和PAMC的紅外譜圖Fig. 1 The FT-IR spectra of CS and PAMC

MMT及OMMT的紅外譜圖如圖2所示。與MMT的紅外譜圖相比，OMMT的紅外譜圖在2 920 cm-1以及2 865 cm-1處出現(xiàn)了兩個(gè)新的吸收峰，分別對(duì)應(yīng)C—H的伸縮振動(dòng)峰和彎曲振動(dòng)峰，說明CTAB與MMT發(fā)生層間離子交換反應(yīng)，成功制備了OMMT。

圖2 MMT和OMMT的紅外譜圖Fig. 2 The FT-IR spectra of MMT and OMMT

2.2 XRD分析

CS及PAMC的X-射線衍射圖如圖3所示。由圖3可見，殼聚糖在10°和20°周圍有兩個(gè)峰，而加入植酸改性后，與CS相比，PAMC僅在20°左右出現(xiàn)一個(gè)峰強(qiáng)度明顯下降的寬峰，這是由于CS與PA之間發(fā)生離子絡(luò)合所致，因此成功制備了PAMC[18]。

圖3 CS和PAMC的X-射線衍射圖Fig. 3 The XRD spectra of CS and PAMC

MMT及OMMT的X-射線衍射圖如圖4所示。由圖4可知，經(jīng)CTAB改性之后，MMT的(001)面衍射角向小角方向偏移，MMT與OMMT的2θ分別為5.91°和3.92°，采用Bragg方程計(jì)算出對(duì)應(yīng)的層間距為1.49和2.25 nm，說明對(duì)MMT改性成功。

圖4 MMT和OMMT的X-射線衍射圖Fig. 4 The XRD spectra of MMT and OMMT

2.3 復(fù)合材料的阻燃性能

LOI的定義為：在規(guī)定條件下，材料在氧氮混合氣流中進(jìn)行有焰燃燒所需的最低氧濃度。通常用氧氮混合氣流中氧氣的體積分?jǐn)?shù)數(shù)值表示，一般認(rèn)為，LOI值小于22為易燃材料，LOI值大于27為難燃材料，而介于兩者之間則屬可燃材料，在垂直燃燒測(cè)試中材料阻燃等級(jí)由HB、V-2、V-1向V-0逐級(jí)遞增[19-20]。

通過LOI和UL-94測(cè)試，對(duì)比研究了有機(jī)蒙脫土對(duì)阻燃PLA復(fù)合材料阻燃性能的影響。圖5 a和5b分別為PLA2和PLA3 氧指數(shù)測(cè)試后殘留樣條的數(shù)碼照片，表2為聚乳酸及其復(fù)合材料的LOI和UL-94測(cè)試結(jié)果。結(jié)果顯示，純PLA的LOI值僅為21.0，因而PLA1在空氣中易燃燒，垂直燃燒測(cè)試中PLA1樣條引燃后較快燃燒完全且滴落現(xiàn)象嚴(yán)重，因此PLA1在UL-94測(cè)試中沒有級(jí)別。

當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的MPP/PAMC后，圖5a顯示PLA2滴落現(xiàn)象略有改善，但因兩次燃燒時(shí)間(t1+t2)大于10 s，只能通過UL-94 V-1級(jí)。當(dāng)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的OMMT替代等量的MPP/PAMC后，從圖5b可見燃燒后形成的炭層緊密包裹在樣條上不沿樣條側(cè)壁滴落，在UL-94測(cè)試中也觀察到相同現(xiàn)象且兩次燃燒時(shí)間(t1+t2)小于10 s，達(dá)到UL-94 V-0級(jí)。此外，PLA3的LOI值也較PLA2的27.5進(jìn)一步增加至30.0，結(jié)合UL-94測(cè)試結(jié)果說明OMMT與PAMC/MPP之間確實(shí)存在良好的阻燃協(xié)同效應(yīng)。繼續(xù)提高OMMT添加量，PLA4和PLA5測(cè)試的樣條因火焰蔓延不能及時(shí)得到遏制，最終表現(xiàn)為燃燒形成的炭渣整塊掉落引燃下方的脫脂棉，導(dǎo)致阻燃級(jí)別下降。LOI測(cè)試結(jié)果與UL-94測(cè)試結(jié)果具有相似趨勢(shì)，即隨OMMT添加量的增加LOI值下降。這可能是由于在基體PLA中加入PAMC/MPP后，復(fù)合材料的流動(dòng)性變差，過多的OMMT在復(fù)合材料中難以達(dá)到均勻分散，導(dǎo)致點(diǎn)燃后形成的膨脹炭層的致密性變差，難以保護(hù)炭層下材料充分隔絕氧氣和熱量。

圖5 PLA2(a)和PLA3(b)樣條燃燒后的對(duì)比照片F(xiàn)ig. 5 Photos of PLA2 (a) and PLA3 (b) after ignition

樣品編號(hào)LOIUL?94(32mm)等級(jí)滴落t1/st2/sPLA1210NRYes/yes>30>30PLA2275V?1No/no164189PLA3300V?0No/no1529PLA4285V?1No/no176279PLA5270NRYes/yes>30>30

注：NR表示沒有級(jí)別；t1和t2指兩次點(diǎn)火后對(duì)應(yīng)有焰燃燒時(shí)間，s；No/yes指兩次點(diǎn)火后的滴落情況。

2.4 復(fù)合材料的燃燒行為

錐形量熱測(cè)試是一種研究材料燃燒行為的主要方法，可得到熱釋放速率和總熱釋放量等數(shù)據(jù)。圖6a和6b分別為PLA1、PLA2和PLA3的熱釋放速率(HRR)和總熱釋放量(THR)曲線。由圖6a可知，PLA1的熱釋放速率峰值為533.5 kW/m2，PLA2和PLA3的熱釋放速率峰值分別為270.2和251.6 kW/m2，分別較PLA1下降了49%和53%。此外，PLA2和PLA3的HRR曲線表現(xiàn)為膨脹型阻燃劑阻燃材料的雙峰現(xiàn)象[21]，這與后文SEM的分析結(jié)果一致。由圖6b可知，PLA1的THR為81.7 MJ/m2，而PLA2和PLA3的THR值分別為63.7和60.6 MJ/m2，分別較PLA1低22%和26%。值得注意的是，對(duì)于HRR曲線的峰值(PHRR)和THR，PLA3的下降程度均較PLA2高，由此可見，OMMT與PAMC/MPP間確實(shí)存在協(xié)同效應(yīng)，這也與前文UL-94和LOI的結(jié)果一致。

圖6 PLA1、PLA2和PLA3的HRR(a)和THR(b)曲線Fig. 6 The HRR (a) and THR (b) curves of samples PLA1,PLA2 and PLA3

2.5 復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性能

圖7 聚乳酸及其復(fù)合材料的TG曲線Fig. 7 The TG curves of PLA and IFR-PLA composites

聚乳酸及其阻燃復(fù)合材料的熱質(zhì)量損失(TG)曲線及相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7和表3所示。由圖7可知，PAMC/MPP 3步降解，800℃的殘?zhí)苛繛?4.73%。純聚乳酸在300～400℃范圍內(nèi)快速分解，在400℃左右其分解已基本完成，800℃的殘?zhí)苛績(jī)H為0.61%。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的IFR后，PLA2質(zhì)量損失5%的溫度(T5%)和質(zhì)量損失50%的溫度(T50%)分別比PLA1的下降16和13℃，這可能是由于添加的阻燃劑熱穩(wěn)定性較差所致。阻燃劑在較低溫度下發(fā)生分解可催化PLA降解生成穩(wěn)定的炭層。因此，從圖7可見，PLA2在400℃以上的熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于PLA1。PLA2在800℃的殘?zhí)苛刻岣咧?7.28%，明顯高于PLA1。當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的OMMT后，PLA3的T5%較PLA2進(jìn)一步降低，而T50%保持不變，這是由于OMMT中有機(jī)改性劑熱穩(wěn)定性較差，在較低溫度下發(fā)生了熱降解所致[16]。但從圖7可以看出，與PLA2相比，400℃以上PLA3熱穩(wěn)定性較好， 800℃下的殘?zhí)苛吭黾拥?8.58%。這是由于OMMT與PAMC/MPP間的協(xié)同作用促進(jìn)PLA更快成炭，形成熱穩(wěn)定性更好的膨脹炭層。當(dāng)進(jìn)一步增加OMMT添加量時(shí)，雖然T5%和T50%與PLA2的值相比變化不大，但可發(fā)現(xiàn)PLA4和PLA5的殘?zhí)苛糠謩e為16.40%和15.42%，均低于PLA2和PLA3相應(yīng)值。

表3 聚乳酸及其復(fù)合材料的TG數(shù)據(jù)

注：T5%表示質(zhì)量損失5%溫度；T50%表示質(zhì)量損失50%溫度；Tmax表示最大熱質(zhì)量損失溫度。

2.6 復(fù)合材料的炭層形貌

為分析膨脹炭層的結(jié)構(gòu)和組成對(duì)PLA復(fù)合材料阻燃性能的影響，將PLA2和PLA3在馬弗爐中600℃條件下加熱10 min，將炭渣收集使用SEM進(jìn)行觀察。PLA2和PLA3外層炭渣的SEM圖如圖8a和8b所示。從圖中可以看出，PLA2的炭層多孔、平整性差，而PLA3所形成的炭層致密而平整。平整、致密的炭層在燃燒過程中不會(huì)被熱流破壞，可有效保護(hù)炭層下材料免受熱量侵襲。這也解釋了添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的OMMT后PLA3阻燃性能較PLA2好的原因，與LOI、UL-94、CONE及TG的結(jié)果一致。

PLA2和PLA3炭層表層中C、O、N、P、Si元素的組成情況如表4所示。由表4可知，PLA3的P元素含量較PLA2高約40%，說明PLA3的炭層表面形成了更多的含磷化合物，而含磷化合物可提高炭層熱穩(wěn)定性，這與TG的測(cè)試結(jié)果一致。此外，在PLA3炭層表面出現(xiàn)了Si元素，Si元素可促進(jìn)石墨化炭層形成，進(jìn)一步提高炭層的質(zhì)量和穩(wěn)定性[22]。因此，PLA3阻燃性能較好。

圖8 PLA2(a1，a2)和PLA3(b1，b2)外層炭渣SEM圖Fig. 8 The SEM images for outer surface of residual char of PLA2 (a1, a2) and PLA3 (b1, b2)

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3 結(jié) 論

通過添加IFR和不同比例的OMMT對(duì)PLA進(jìn)行阻燃改性，對(duì)改性前后的PLA復(fù)合材料阻燃性能、燃燒行為和熱穩(wěn)定性能進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，僅加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的IFR，PLA復(fù)合材料的阻燃性能和熱穩(wěn)定性能略有改善，而保持阻燃劑量不變，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的OMMT，制備的PLA復(fù)合材料阻燃性能最佳。PLA3的LOI值高達(dá)30.0，PHRR和THR值為最低的251.6 kW/m2和60.6 MJ/m2，通過UL-94 V-0級(jí)且滴落現(xiàn)象消失，熱穩(wěn)定性也進(jìn)一步提高。說明OMMT與IFR在PLA復(fù)合材料中具有良好的協(xié)同阻燃效應(yīng)。

通過XPS和SEM對(duì)PLA2和PLA3燃燒后的炭渣形貌和組成進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的OMMT后，PLA3燃燒后形成的炭層中P元素和Si元素含量均較PLA2高，且炭層表面更加致密平整。OMMT與IFR復(fù)配能進(jìn)一步促進(jìn)成炭，形成較高質(zhì)量的穩(wěn)定膨脹炭層，進(jìn)而有效提高基體PLA的阻燃性能和熱穩(wěn)定性。本研究主要研究了阻燃聚乳酸復(fù)合材料的阻燃性能和熱性能，未分析阻燃劑添加對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，今后需進(jìn)一步研究。

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Synergistic effect of organic montmorillonite and chitosan-basedintumescent flame retardant on flame retardant properties of polylactic acid

LI Hang, LIU Zhipeng, YANG Zheng, LING Min, ZHANG Rui*

(CollegeofChemicalEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)

In order to improve the flame retardancy of PLA, anovel intumescent flame retardant (IFR) polylactic acid (PLA) system (PLA/PAMC/MPP/OMMT) was prepared through direct melting-blending technique. The IFR system was composed of phytic acid modified chitosan (PAMC) and melamine phosphate (MPP) together with organic montmorillonite (OMMT) as a synergistic agent. The flammability，burning behavior and thermal stability of the composites were evaluated through the limiting oxygen index (LOI), cone calorimeter test, vertical burning test (UL-94) and thermogravimetric analysis (TGA). The char residues of the composites were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to investigate the synergetic effect of OMMT and PAMC/MPP on the flame retardant properties of PLA composites. After incorporation of 25 wt% of PAMC/MPP, compared with PLA1, the LOI value, UL-94 grade and the residue rate at 800℃ of PLA2 were respectively improved from 21.0, no class and 0.61 wt% to 27.5, V-1 and 17.28 wt%, and the PHRR and THR values respectively decreased from 533.5 kW/m2and 81.7 MJ/m2to 270.2 kW/m2and 63.7 MJ/m2. Compared with PLA2, when 0.5 wt% of PAMC/MPP were replaced by OMMT, the LOI value and the residue rate at 800℃ of PLA3 respectively increased to 30.0 and 18.58%, and the PHRR and THR values decreased to 251.6 kW/m2and 60.6 MJ/m2. The UL-94 test could pass V-0 rating and melt-dripping phenomenon disappeared. The above results indicated that the synergistic flameretardant effect between OMMT and PAMC/MPP showed a satisfied synergistic effect on the flame retardant properties of the PLA composites. The results from this study could provide theoretical basis for the preparation of green flame retardant PLA composites.

polylactic acid; phytic acid modified chitosan; organic montmorillonite; flame retardancy; synergistic effect

2016-11-22

2017-02-20

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2012821)。

黎航，男，研究方向?yàn)樽枞季酆衔飶?fù)合材料。通信作者：張蕤，女，教授。E-mail:zhangrui@nifu.edu.cn

TQ323.4

A

2096-1359(2017)04-0077-07