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        聚乳酸常用阻燃劑簡介

        系阻燃劑

        磷系阻燃劑是應用廣泛、具有較好實用性的環保型阻燃劑。磷系阻燃劑按照不同的組成與結構可分成有機磷系阻燃劑和無機磷系阻燃劑,有機磷系阻燃劑主要包括磷酸酯、9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(DOPO)等有機磷化合物。無機磷系阻燃劑主要有紅磷、聚磷酸銨、磷酸鹽等;磷系阻燃劑還可按照使用方式不同,分為添加型和反應型兩類。添加型磷系阻燃劑是將阻燃劑直接與高分子材料進行物理混合,然后加工成復合阻燃功能材料,反應型磷系阻燃劑則是將阻燃基團通過化學反應的方式鍵合到高分子材料上實現阻燃的目的。研究表明,磷系阻燃劑的阻燃機理為,阻燃劑在高溫時會發生熱解,產生酸性物質,酸性物質有利于聚乳酸(PLA)聚合物降解形成炭層,阻止熱量向聚合物基體傳遞,并且磷系阻燃劑燃燒過程中產生的含磷自由基也可淬滅PLA熱解時產生的自由基,并可與聚合物基體形成熱穩定性很高的聚合物網絡,實現阻燃效果。磷系阻燃劑已廣泛應用于PLA等高分子材料的阻燃改性中。

         

        目前報道的用于PLA磷系阻燃劑主要是DOPO與其他化合物反應生成的衍生物,如DOPO與環氧化聚丁二烯、DOPO與肉桂酰胺、DOPO與甲醛等。另外一種磷系阻燃劑是基于聚磷酸銨(APP)的復配阻燃劑,如將含有聚己內酯(PCL)鏈段、PLA鏈段以及苯基次磷酸鹽的離子共聚物與APP復合,或者將植酸鎳(PA-Ni)、葡甲胺(N)與APP相結合。這些磷系阻燃劑均能使PLA獲得優異的阻燃性能。

        系阻燃劑

        含氮阻燃劑是一種無鹵阻燃劑,契合了當下阻燃劑綠色環保的發展理念。氮系阻燃劑具有低毒、低煙的優點,目前比較普遍的有三聚氰胺、雙氰胺、胍鹽及其衍生物等。當達到分解溫度時,氮系阻燃劑產生的CO2,NH3,N2等不燃性氣體,可稀釋PLA化合物受熱分解產生的可燃性氣體及聚合物周圍的O2,同時由于阻燃劑的分解會吸收熱量,有效降低了PLA的表面溫度,從而達到了阻燃的目的。由于在實際阻燃改性中單獨使用氮系阻燃劑的阻燃效率低,因此常將氮系阻燃劑與其他類型阻燃劑共同使用,利用協效作用達到良好的阻燃效果。

        系阻燃劑

        硅系阻燃劑是含有硅元素的無鹵環保型阻燃的材料,不僅可以改善材料的阻燃性能,還可改善材料的力學性能、加工性能以及耐熱性能等?;诠柘底枞紕┑谋姸鄡烖c,其成為了目前研究的熱點。研究表明,硅系阻燃劑可以在凝聚相中延緩甚至中斷材料的熱分解,從而達到良好的阻燃效果。硅系阻燃劑產煙量低、安全性高,但單獨使用時阻燃效果不佳,一定程度上限制了硅系阻燃劑在阻燃PLA中的應用??蓪⒐柘底枞紕┡c其他阻燃劑復配進行協效阻燃,所以開發硅系阻燃劑的高效協同阻燃體系具有非常廣闊的發展前景。

        無機

        納米阻燃劑

        無機納米阻燃劑因其特殊的尺寸特征,與普通無機粒子相比具備獨特優勢,為制備阻燃材料提供了新思路。但無機納米粒子單獨作為阻燃劑使用時存在添加量大的缺點,實際應用中,通常將無機粒子和其它類型阻燃劑進行復配以提高阻燃效果。

         

        納米鎂鋁水滑石可用于PLA的阻燃,一般采用插層劑對其插層,制備出氨基磺酸插層水滑石、磷鎢酸插層改性鎂鋁水滑石等,再與膨脹阻燃劑(IFR)復合,用于阻燃改性PLA,提升PLA的阻燃性能。另外,有機插層納米蒙脫土有明顯的抑煙作用,可以使PLA/麥秸纖維復合材料的阻燃性能得到有效改善。

         

        近年來新型納米阻燃劑碳納米管(CNTs)在PLA阻燃領域也有應用。例如可將10-羥基-9,10-二氫-9-氧雜-10-膦菲10氧化物(DOPO-OH)共價嵌至多壁碳納米管(MWCNT)的表面,制備得到DOPO官能化的MWCNT (MWCNT-DOPO-OH),并通過熔融共混引入至PLA/磷酸鋁(AHP)體系中,進而提高PLA/AHP的阻燃性能。

        膨脹

        阻燃劑

        膨脹阻燃劑(IFR)是一類無毒高效的綠色環保阻燃劑,IFR以磷、氮、碳三種元素為主要組分,由酸源、氣源和碳源三部分構成。目前,用于PLA阻燃改性的膨脹型阻燃體系中,酸源主要是APP;氣源主要有三聚氰胺(MA)、三嗪衍生物、尿素等;碳源有多羥基聚合物淀粉(ST)、木質素(LIG)、纖維素等。IFR可以提高PLA的成炭量,有效降低燃燒熔滴現象。IFR阻燃PLA的阻燃機理為,PLA在燃燒時其表面的炭和泡沫會進行膨脹,產生多泡沫炭層,表面的多泡沫炭層阻礙下層材料燃燒。由于IFR具有良好的隔熱抑煙效果,近年來受到越來越多的關注。

        生物質

        阻燃劑

        近幾年,隨著人們環保意識的日益提高,人們開始逐漸將研究方向轉移到利用生物質阻燃劑來改善PLA的阻燃性能。常見的生物質阻燃劑包括淀粉、纖維素、環糊精等。生物質阻燃劑因含大量活性羥基,加入PLA后在燃燒時交聯成炭,形成多孔炭層,從而達到阻燃的目的。但生物質材料單獨使用同樣存在添加量大、相容性差等問題,因此對生物質材料進行改性具有重大意義。

         

        生物質阻燃劑一般與其他阻燃劑復配使用:例如可采用五氧化二磷、甲磺酸、三聚氰胺對生物質阻燃劑殼聚糖進行改性,然后將改性殼聚糖和三聚氰胺聚磷酸鹽(MPP)復配,形成IFR;將磷系阻燃劑二乙基次膦酸鋁(AlPi)和淀粉進行復配,形成協效阻燃劑對PLA進行阻燃改性,可獲得阻燃效果良好的PLA;通過植酸改性殼聚糖(PAMC)與MPP復配得到IFR,再以有機化蒙脫土為協效劑,可有效改善PLA復合材料的阻燃性能。


        節選自《工程塑料應用》2022年第7期綜述論文《可降解聚乳酸阻燃改性研究進展》,作者郭旭青等,有改動。

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