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次磷酸铝与新型膨胀型阻燃体系在聚乳酸中的协同效应

2021-08-18 已有222人浏览 皖燃科技

聚乳酸(PLA)是一种以可再生作物为原料的环保材料,具有无毒、无刺激、强度高、生物相容性好、生物降解等优点于医疗器械、包装、电子产品、汽车工业和建筑领域。然而,PLA作为一种脂肪族聚酯,是易燃的,因此有必要提高其阻燃性能,尤其是在电子产品、汽车工业和建筑领域。

在异氰脲酸三缩水甘油酯(TGIC)和二亚乙基三胺(DETA)的基础上,南昌大学刘足生教授使用水作为溶剂。通过APP和CT的混合,形成了一种新的IFR(APP/CT)系统。并研究了IFR与次磷酸铝(AHP)的协同作用,制备了阻燃聚乳酸复合材料。

图1介绍了CT的合成路线。将30.0g(0.1mol)TGIC粉末和300mL去离子水加入500mL三颈圆底烧瓶中,装有机械搅拌器和温度计。然后在频繁搅拌下将混合物加热到80℃。粉末完全溶解后,滴加6.0g(0.058mol)DETA,滴加速率保持在1g/10min。反应持续80℃1小时,期间白色沉淀物逐渐沉淀。之后,立即过滤产,用热去离子水洗三次,80℃干燥12小时。研磨后可获得白色粉末状产品(产品收率高于85.0%)。

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图2列出了不同配方的PLA/APP-CT系统阻燃性能测试结果(LOI和UL-94)。可见PLA是高度易燃的,LOI只有20.3%,燃烧伴随着严重的滴落。当添加量为30wt%时,随着CT用量的增加,PLA复合材料的LOI逐渐增加,然后下降。当APP/CT为4:1时,LOI达到最高41.2%,通过UL-94V-0级,可视为最佳配方。为减少阻燃剂的添加量,获得令人满意的阻燃性,将AHP引入IFR(APP/CT)系统。结果表明,通过添加25wt%AHP,LOI可以略有增加,同时达到UL-94V-0级。相比之下,PLA/IFR-AHP的阻燃性能可以达到54.2%的最大LOI,在25wt%的负载下通过UL-94V-0测试,明显优于PLA/IFR和PLA-AHP,证明IFR(APP/CT)和AHP有协同作用。

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图3给出了HRR和THR曲线,图4总结了相关数据。从HRR曲线可以看出,纯PLA在点燃后145.0秒内迅速达到最大HRR值(654.8kW/m2)。通过添加IFR、AHP和IFR/AHP,材料的pHR分别下降了58%、64%和86%,表明阻燃剂和协同系统(IFR/AHP)具有最佳的阻燃效果。此外,在PLA/IFR和PLA/IFR-AHP的燃烧过程中,可以发现两个放热峰。前者峰通常归因于基体的燃烧和碳层形成过程的初始燃烧,后者是由于膨胀焦炭的塌陷和焦炭下物质的持续燃烧。有趣的是,PLA/AHP燃烧过程中只能发现一个放热峰,这可能是因为PLA/AHP分解过程中产生的焦炭强度好,所以不同于被火焰破坏。然而,由于PLA/AHP复合材料中没有发泡剂,焦炭没有PLA-IFR膨胀,阻隔效果差,这很好地解释了PLA/AHP可以通过UL-94V-0级,但其LOI仍然很低。研究还发现,PLA/IFR-AHP的热释放峰明显低于PLA-IFR,表明添加AHP可以提高膨胀焦的强度。

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本文以TGIC和DETA为原料,以水为溶剂合成超支化CT。与一些研究AHP与IFR协同作用的研究相比,形成了以APP为酸源、发泡剂和超支化CT为炭化剂的新型IFR系统。这为聚乳酸的实际应用提供了实验基础。