CN105885372B - 一种沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜及其制备方法。本发明的聚乳酸薄膜由聚乳酸基体树脂与沸石咪唑酯骨架材料ZIF‑8组成。沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜采用溶液共混的方法将聚乳酸的三氯甲烷溶液与ZIF‑8的三氯甲烷分散液按照一定的配比进行共混，利用自动涂膜机将混合液于干净的玻璃板上涂膜，室温下待三氯甲烷挥发完全后制得。本发明的增强阻燃聚乳酸薄膜组分简单，可生物降解，以沸石咪唑酯骨架材料ZIF‑8为阻燃剂，在添加较少增强材料的条件下，显著增强了聚乳酸薄膜的阻燃性能，同时拉伸强度有所提高，而且能够以透明薄膜的形式存在，满足不同的生产需要。

Description

一种沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚乳酸材料的阻燃和增强技术领域，具体涉及一种沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜及其制备方法。
背景技术
聚乳酸(PLA)来源充分，生产过程无污染，可生物降解，具有良好的物理性能和生物相容性，受到广泛关注。但是PLA由于脆性高，热变形温度低，抗冲击性差等缺陷，限制了其进一步的发展应用。
阻燃增强聚乳酸一般是在聚乳酸中加入阻燃剂。纳米级多孔材料具有纳米效应、较大的比表面积、良好的分散性、较强的界面结构效应等其他填料无法比拟的优点。复合无机纳米材料的聚乳酸，其结晶性、机械性能、热性能和阻燃性能均有提高。Hapuarachchi和Peijs在PLA基体中添加海泡石纳米纤维(Sep)，Sep起到了隔热作用，并促进成碳，使得PLA的热分解温度略有升高，此外Sep同碳纳米管混合后添加到PLA基体中，能够有效地降低复合材料的最大热释放速率，提高了PLA的阻燃性能(Hapuarachchi T D和Peijs T.，Composites Part A:Applied Science and Manufacturing，2010，41(8)，954-963.)。和Serge研究了碳纳米管(MWNTs)与膨胀系阻燃剂协同阻燃聚乳酸的性能，发现当聚磷酸铵(APP)/三聚氰胺(MA)/MWNTs的质量比为25/5/1时，聚乳酸复合材料的极限氧指数可达到32％，且燃烧过程中无熔滴，阻燃性能优异(F和Serge B.，Journal of AppliedPolymer Science，2009，113(6)，3860-3865.)。
金属有机骨架材料(MOFs)具有独特的孔道结构、表面积较大、结构可调控、种类多样等优点，现已被广泛应用于吸附、分离、催化等领域。MOFs常被作为添加剂用于增强PLA的机械性能(Elangovan D等，Polymer International,2012，61(1)，30–37)。沸石咪唑酯骨架材料(ZIF-8)是MOFs的一种，是以锌为配位中心，二甲基咪唑为配体组成的一种新型的具有沸石拓扑结构的纳米级多孔材料。将ZIF-8作为阻燃剂与聚乳酸复合，增强聚乳酸的阻燃性能未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜及其制备方法。该聚乳酸薄膜以沸石咪唑酯骨架材料(ZIF-8)为阻燃剂，由聚乳酸基体树脂与ZIF-8组成，不仅能够在添加较少增强材料的条件下提高材料的阻燃和力学性能，而且以透明薄膜的形式存在，满足不同的生产需要。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案为：
一种沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜，所述的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜由聚乳酸基体树脂与沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8组成，所述的聚乳酸基体树脂与ZIF-8的质量比为(99.8～97)：(0.2～3)。
本发明还提供上述沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜的制备方法，具体步骤如下：将聚乳酸置于三氯甲烷中搅拌至完全溶解，ZIF-8置于三氯甲烷中超声分散，将聚乳酸溶液与ZIF-8超声分散液混合并搅拌均匀，之后在玻璃板上铺膜，干燥使三氯甲烷挥发完全，最后脱模，即制得沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜。
本发明中，沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8按已有的方法制备，可参考文献【龚金华,王臣辉,卞子君,等.多孔材料表面修饰聚酰亚胺非对称混合基质膜对CO2/N2和CO2/CH4的气体分离[J].物理化学学报,2015,31(10):1963-1970.】制备，即以甲醛为溶剂，利用硝酸锌与二甲基咪唑制得。
为使聚乳酸溶解完全，聚乳酸在三氯甲烷中的搅拌时间不少于2h。
ZIF-8在三氯甲烷中不易分散，其在三氯甲烷中的超声分散时间不少于30min。
在将聚乳酸溶液与ZIF-8超声分散液混合时，为实现二者的均匀混合，其搅拌时间不少于4h。
为保证最终制得的聚乳酸薄膜优异的透明性，在涂膜过程中，控制涂膜厚度为1～2mm。
本发明首次将沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8作为阻燃剂，添加到聚乳酸基体树脂中，意外地发现在聚乳酸中添加少量的ZIF-8，其力学性能提高的同时，复合材料的阻燃性能也显著增强，并且ZIF-8为无卤阻燃剂，绿色环保。本发明的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜透明性良好，制备工艺简单，易操作。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
称取9.98g聚乳酸溶解于40mL三氯甲烷中，磁力搅拌2h使其充分溶解。称取0.02gZIF-8分散于20mL三氯甲烷中，超声2h使之分散均匀。随后将两分散液混合搅拌，共混4h。用自动涂膜机将混合溶液于玻璃板上涂成1-2mm的薄膜，随后在室温下令三氯甲烷自然挥发24h，用温水脱模后于60℃下真空干燥48h，制得本发明的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜。按GB/T2863-2010标准实验方法测定，极限氧指数为23.5，按GB/T1040.3-2006标准实验方法测定拉伸强度为57.32MPa。
实施例2
称取9.95g聚乳酸溶解于40mL三氯甲烷中，磁力搅拌2h使其充分溶解。称取0.05gZIF-8分散于20mL三氯甲烷中，超声2h使之分散均匀。随后将两分散液混合搅拌，共混4h。用自动涂膜机将混合溶液于玻璃板上涂成1-2mm的薄膜，随后在室温下令三氯甲烷自然挥发24h，用温水脱模后于60℃下真空干燥48h，制得本发明的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜。按GB/T2863-2010标准实验方法测定，极限氧指数为24.5，按GB/T1040.3-2006标准实验方法测定拉伸强度为58.25MPa。
实施例3
称取9.9g聚乳酸溶解于40mL三氯甲烷中，磁力搅拌2h使其充分溶解。称取0.1gZIF-8分散于20mL三氯甲烷中，超声2h使之分散均匀。随后将两分散液混合搅拌，共混4h。用自动涂膜机将混合溶液于玻璃板上涂成1-2mm的薄膜，随后在室温下令三氯甲烷自然挥发24h，用温水脱模后于60℃下真空干燥48h，制得本发明的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜。按GB/T2863-2010标准实验方法测定，极限氧指数为26.0，按GB/T1040.3-2006标准实验方法测定拉伸强度为56.83MPa。
实施例4
称取9.7g聚乳酸溶解于40mL三氯甲烷中，磁力搅拌2h使其充分溶解。称取0.3gZIF-8分散于20mL三氯甲烷中，超声2h使之分散均匀。随后将两分散液混合搅拌，共混4h。用自动涂膜机将混合溶液于玻璃板上涂成1-2mm的薄膜，随后在室温下令三氯甲烷自然挥发24h，用温水脱模后于60℃下真空干燥48h，制得本发明的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜。按GB/T2863-2010标准实验方法测定，极限氧指数为22.5，按GB/T1040.3-2006标准实验方法测定拉伸强度为51.99MPa。
对比例1
称取10g聚乳酸溶解于60mL三氯甲烷中，磁力搅拌6h使其充分溶解。用自动涂膜机将溶液于玻璃板上涂成1.5mm的薄膜，随后在室温下令三氯甲烷自然挥发24h，用温水脱模后于60℃下真空干燥48h，制得纯聚乳酸薄膜。按GB/T2863-2010标准实验方法测定，极限氧指数为20.5，按GB/T1040.3-2006标准实验方法测定拉伸强度为53.15MPa。
对比例2
称取9.5g聚乳酸溶解于40mL三氯甲烷中，磁力搅拌2h使其充分溶解。称取0.5gZIF-8分散于20mL三氯甲烷中，超声2h使之分散均匀。随后将两分散液混合搅拌，共混4h。用自动涂膜机将混合溶液于玻璃板上涂成1-2mm的薄膜，随后在室温下令三氯甲烷自然挥发24h，用温水脱模后于60℃下真空干燥48h，制得本发明的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜。按GB/T2863-2010标准实验方法测定，极限氧指数为21.5，按GB/T1040.3-2006标准实验方法测定拉伸强度为41.25MPa。
通过比较实施例1～4和对比例1可知，ZIF-8的加入提高了聚乳酸薄膜的极限氧指数，可显著增强聚乳酸薄膜的阻燃性能。通过比较实施例1～4和对比例2可知，聚乳酸基体树脂与ZIF-8的质量比为(99.8～97)：(0.2～3)时，聚乳酸薄膜的阻燃性能增强的同时，拉伸强度也显著提升。综上所述，沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8作为阻燃剂，与聚乳酸复合，当聚乳酸与ZIF-8的质量比在本发明范围内，聚乳酸薄膜的力学性能有效提高的同时，复合材料的阻燃性能也显著增强，并保持了良好的透明性。

Claims (6)

1.一种沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜，其特征在于，所述的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜由聚乳酸基体树脂与沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8按质量比为(99.8～97)：(0.2～3)组成。
2.根据权利要求1所述的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：将聚乳酸置于三氯甲烷中搅拌至完全溶解，ZIF-8置于三氯甲烷中超声分散，将聚乳酸溶液与ZIF-8超声分散液混合并搅拌均匀，之后在玻璃板上铺膜，干燥使三氯甲烷挥发完全，最后脱模，即制得沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜。
3.根据权利要求2所述的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜的制备方法，其特征在于，聚乳酸在三氯甲烷中的搅拌时间不少于2h。
4.根据权利要求2所述的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜的制备方法，其特征在于，ZIF-8在三氯甲烷中的超声分散时间不少于30min。
5.根据权利要求2所述的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜的制备方法，其特征在于，聚乳酸溶液与ZIF-8超声分散液混合时，搅拌时间不少于4h。
6.根据权利要求2所述的沸石咪唑酯骨架材料增强阻燃聚乳酸薄膜的制备方法，其特征在于，涂膜厚度为1～2mm。
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