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    次磷酸鋁與新型膨脹型阻燃體系在聚乳酸中的協同效應

    2021-08-18 已有1948人瀏覽 皖燃科技

    聚乳酸(PLA)是一種以可再生作物為原料的環保材料,具有無毒、無刺激、強度高、生物相容性好、生物降解等優點于醫療器械、包裝、電子產品、汽車工業和建筑領域。然而,PLA作為一種脂肪族聚酯,是易燃的,因此有必要提高其阻燃性能,尤其是在電子產品、汽車工業和建筑領域。

    在異氰脲酸三縮水甘油酯(TGIC)和二亞乙基三胺(DETA)的基礎上,南昌大學劉足生教授使用水作為溶劑。通過APP和CT的混合,形成了一種新的IFR(APP/CT)系統。并研究了IFR與次磷酸鋁(AHP)的協同作用,制備了阻燃聚乳酸復合材料。

    圖1介紹了CT的合成路線。將30.0g(0.1mol)TGIC粉末和300mL去離子水加入500mL三頸圓底燒瓶中,裝有機械攪拌器和溫度計。然后在頻繁攪拌下將混合物加熱到80℃。粉末完全溶解后,滴加6.0g(0.058mol)DETA,滴加速率保持在1g/10min。反應持續80℃1小時,期間白色沉淀物逐漸沉淀。之后,立即過濾產,用熱去離子水洗三次,80℃干燥12小時。研磨后可獲得白色粉末狀產品(產品收率高于85.0%)。

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    圖2列出了不同配方的PLA/APP-CT系統阻燃性能測試結果(LOI和UL-94)??梢奝LA是高度易燃的,LOI只有20.3%,燃燒伴隨著嚴重的滴落。當添加量為30wt%時,隨著CT用量的增加,PLA復合材料的LOI逐漸增加,然后下降。當APP/CT為4:1時,LOI達到最高41.2%,通過UL-94V-0級,可視為最佳配方。為減少阻燃劑的添加量,獲得令人滿意的阻燃性,將AHP引入IFR(APP/CT)系統。結果表明,通過添加25wt%AHP,LOI可以略有增加,同時達到UL-94V-0級。相比之下,PLA/IFR-AHP的阻燃性能可以達到54.2%的最大LOI,在25wt%的負載下通過UL-94V-0測試,明顯優于PLA/IFR和PLA-AHP,證明IFR(APP/CT)和AHP有協同作用。

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    圖3給出了HRR和THR曲線,圖4總結了相關數據。從HRR曲線可以看出,純PLA在點燃后145.0秒內迅速達到最大HRR值(654.8kW/m2)。通過添加IFR、AHP和IFR/AHP,材料的pHR分別下降了58%、64%和86%,表明阻燃劑和協同系統(IFR/AHP)具有最佳的阻燃效果。此外,在PLA/IFR和PLA/IFR-AHP的燃燒過程中,可以發現兩個放熱峰。前者峰通常歸因于基體的燃燒和碳層形成過程的初始燃燒,后者是由于膨脹焦炭的塌陷和焦炭下物質的持續燃燒。有趣的是,PLA/AHP燃燒過程中只能發現一個放熱峰,這可能是因為PLA/AHP分解過程中產生的焦炭強度好,所以不同于被火焰破壞。然而,由于PLA/AHP復合材料中沒有發泡劑,焦炭沒有PLA-IFR膨脹,阻隔效果差,這很好地解釋了PLA/AHP可以通過UL-94V-0級,但其LOI仍然很低。研究還發現,PLA/IFR-AHP的熱釋放峰明顯低于PLA-IFR,表明添加AHP可以提高膨脹焦的強度。

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    本文以TGIC和DETA為原料,以水為溶劑合成超支化CT。與一些研究AHP與IFR協同作用的研究相比,形成了以APP為酸源、發泡劑和超支化CT為炭化劑的新型IFR系統。這為聚乳酸的實際應用提供了實驗基礎。