传统膨胀型阻燃剂对聚乳酸材料的阻燃研究

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简介:  聚乳酸(PLA)是一种生物基的生物可降解聚酯,因其优异的力学性能正被越来越多地应用于医学和工业领域。在日本PLA的应用已被扩展至电子领域。在某些应用中要求PLA材料具有阻燃性。众所周知,膨胀型阻燃剂在某些 ...
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  聚乳酸(PLA)是一种生物基的生物可降解聚酯,因其优异的力学性能正被越来越多地应用于医学和工业领域。在日本PLA的应用已被扩展至电子领域。在某些应用中要求PLA材料具有阻燃性。众所周知,膨胀型阻燃剂在某些聚合物中具有高效的阻燃性,而且由于其在燃烧时的低烟低毒性而被作为无卤添加剂广泛应用。
  在本研究中,我们希望能进一步研究PLA和传统膨胀型阻燃剂阻燃PLA体系的力学性能、热降解行为和烟雾的毒性。共混首先在TE-20双螺杆挤出机(反向旋转)中进行,加工温度和螺杆转速分别为180 C和40 rpm。然后再模塑成不同形状以供各种表征使用。PLA材料的阻燃性能随着IFR含量的增加而提高,不过力学性能却受到了负面影响。当IFR含量为30%时,体系的氧指数达40.2%而且能通过UL-94 V-2级,但是拉伸强度却从60.8MPa下降到11.6MPa。扫描电镜图片显示PLA和IFR之间相容性很差。锥形量热测试能提供更多关于PLA材料燃烧行为的信息。阻燃PLA体系的热释放速率(HRR)和重量损失速率 (MLR) 较纯PLA要低。但是当添加30%的IFR之后体系的比消光面积(SEA)增加了超过40倍。同时一氧化碳的释放量从0.027 kg/kg增加到了0.144 kg/kg。这些数据表明阻燃PLA体系的烟雾毒性远比纯PLA要高。阻燃PLA体系的可回收性取决于其热行为。为了更深入地了解阻燃PLA体系的热降解行为,我们采用了热重-质谱联用 (TG-MS)进行表征。将100.2 mg的各样品在氮气氛围下以10C/min的加热速率从30 C加热到700 C。
  IFR的热稳定性在分解初期比纯PLA要低。相反,IFR的碳层在高温下却要更为稳定,其在600 C下有38wt%的残炭量。阻燃PLA体系的残炭量在高温下随着IFR含量的提高而提高。其中PLA-3 (30% IFR)生成了18 wt%的残炭(理论计算值为12 wt%残炭量)。PLA的热降解机理很复杂。有包括
  m/z=28 (CO)m/z=17
  18 (H2O)m/z=15
  (CH3)m/z=444342
  (CH3CHO)m/z=5556
  (CH3CHCO)m/z=72
  (CH3CH(O)CO)的一系列分子被探测到。其中CH3CHO和CH3CHCO是主要的可燃小分子。CH3CH(O)CO是环齐聚物的组成部分,其对于PLA的回收相当重要。IFR的添加极大地改变了PLA的热降解行为。在PLA-3的TG-MS曲线中被发现的粒子要少得多m/z=15 (CH3)m/z=55,56 (CH3CHCO) 和m/z=72 (CH3CH(O)CO)等分子均没有被探测到。与PLA-0相比,m/z=44,43,42粒子流的浓度要低一些,不过m/z=18的浓度要高一些。在季戊四醇中降解产生的粒子m/z=41 (CCHO)在阻燃PLA的热降解中被探测到,该粒子同样在IFR的TG-MS曲线中被探测到。在对比m/z=28离子流的浓度之后,我们的结论是阻燃PLA产生的一氧化碳要比纯PLA多。而在分析纯PLA、IFR以及阻燃PLA在热降解过程中分别产生气体的改变,我们认为IFR形成的膨胀碳层不仅可以阻止阻燃PLA内部的进一步分解,而且对气体产生也有影响。可燃小分子和环齐聚物的产生均被有效抑制。

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