CN107383816A - 一种阻燃聚乳酸复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种阻燃聚乳酸复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及复合材料领域，特别涉及一种阻燃聚乳酸复合材料；由以下原料组成：聚乳酸、淀粉、马来酸酐、1‑烯丙基‑3‑甲基咪唑氯盐、聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸盐；本发明在阻燃剂的制备中，通过淀粉粉酯为碳源，聚磷酸铵为酸源，三聚氰胺氰尿酸为气源，制备一种高阻燃性能的膨胀型阻燃剂，将制得的阻燃剂和聚乳酸进行聚合复配，提高了聚乳酸的阻燃效果，相对于纯聚乳酸的阻燃效果提升了1倍多，同时，通过膨胀型阻燃剂的加入有效的改善了复合材料的相容性，同时也能有效的改善聚乳酸复合材料燃烧时熔滴大的缺陷。

Description

一种阻燃聚乳酸复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料领域，特别涉及一种阻燃聚乳酸复合材料及其制备方法。
背景技术
塑料工业的快速发展使得环境中逐渐出现了“白色污染”问题，使得人们不得不增强环保意识和对能源危机的加剧，人们对生物基材料和生物降解材料的研究、开发及应用越来越重视。研究发生，聚乳酸(聚乳酸)是目前发展最快的可完全生物降解塑料，可经生物分解为二氧化碳和水，不造成环境污染，可由再生植物资源(如玉米，木薯等)所提取的淀粉原料制得，是理想的绿色高分子材料，因此成为了世界生物降解材料的研究热点之一，而对其进行阻燃改性的研究也已经成为聚乳酸研究的一个重要方向，研究出新型阻燃聚乳酸是非常必要的，通常阻燃是指通过减少材料的可燃性,降低材料上火焰的蔓延速度,把火焰移走后能很快地熄灭掉,并不再复燃。从材料燃烧的过程来讲,想要达到阻燃的效果,就得隔绝由可燃物、热源和氧气三要素构成的燃烧循环。
聚乳酸阻燃作为目前聚乳酸材料领域的研究热点之一,并且随着聚乳酸的广泛应用,相关的阻燃研究将更加深入。聚乳酸的阻燃改性可以通过添加型的阻燃剂或反应型的阻燃剂来实现，但是反应型阻燃剂要涉及聚合工艺条件的改变,比较复杂,现在对聚乳酸的阻燃改性大都是采用添加型阻燃剂。目前,可用于聚乳酸的阻燃剂包括传统的金属氧化物和氢氧化物阻燃剂、氮系、硅系、磷系、膨胀型阻燃体系、纳米无机粉体及膨胀阻燃体系/纳米无机粉体的协效体系，如同济大学的任杰等用传统的膨胀阻燃剂[含APP(聚磷酸铵)、PER(季戊四醇)、MA(三聚氰胺)]与聚乳酸共混得到阻燃聚乳酸材料,其LOI值达到28.7,燃烧级别为UL94-V2级,但是有很严重的熔滴现象；Fntaine等以聚乳酸基体为碳源，APP为酸源，三聚氰胺(MA)为气源，有机改性土(OMT)为阻燃协效剂，研究了聚乳酸/阻燃剂/OMT复合材料的燃烧性能。结果表明，不同APP与MA的配比对聚乳酸的阻燃性能影响不同，其最佳质量比为1:5。当加入OMT时，能够使复合材料燃烧时产生自熄现象，并且其LOI高达52％，PHRR降低了90％，由此可见，阻燃剂/OMT协效阻燃效果明显。
可见，目前对聚乳酸复合材料的阻燃研究是目前研究的重点，因此在目前阻燃剂的研究上如何有效提高阻燃效果是目前急需解决的问题，具有重要的经济意义的环保价值。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种阻燃聚乳酸复合材料及其制备方法。
具体是通过以下技术方案来实现的：
一种阻燃聚乳酸复合材料，由以下原料组成：聚乳酸、淀粉、马来酸酐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸盐；
所述阻燃聚乳酸复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备马来酸淀粉酯：
将淀粉、马来酸酐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐混合，经密炼机共混改性，冷却后粉碎，得马来酸淀粉酯备用；
(2)阻燃剂的制备：
将马来酸淀粉酯、聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸盐，充分搅拌均匀，制得助燃剂备用；
(3)阻燃聚乳酸复合材料的制备：
将阻燃剂与聚乳酸在密炼机中进行密炼混合，再将密炼后的混料在平板硫化机模压成片材，即可。
所述的淀粉，是木薯淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉中的一种。
所述的马来酸淀粉酯，由以下按重量份计的原料组成：淀粉120-190份、马来酸酐1-15份、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐0.25-2.5份。
所述的阻燃剂，由以下按重量份计的原料组成：马来酸淀粉酯20-40份、聚磷酸铵45-60份、三聚氰胺氰尿酸盐15-20份。
所述的阻燃剂，由以下按重量份计的原料组成：马来酸淀粉酯30份、聚磷酸铵53份、三聚氰胺氰尿酸盐18份。
所述的复合材料，是将阻燃剂与聚乳酸按20～45：55～80的质量比混合制得。
所述的复合材料，是将阻燃剂与聚乳酸按20：80的质量比混合制得。
调节密炼机的温度为100-150℃，转子转速为40-80r/min,密炼时间为3-15min。
综上所述，本发明有益效果在于：本发明在阻燃剂的制备中，通过淀粉粉酯为碳源，聚磷酸铵为酸源，三聚氰胺氰尿酸为气源，制备一种高阻燃性能的膨胀型阻燃剂，将制得的阻燃剂和聚乳酸进行聚合复配，提高了聚乳酸的阻燃效果，相对于纯聚乳酸的阻燃效果提升了1倍多，同时，通过膨胀型阻燃剂的加入有效的改善了复合材料的相容性，同时也能有效的改善聚乳酸复合材料燃烧时熔滴大的缺陷。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
一种阻燃聚乳酸复合材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)制备马来酸淀粉酯：
将淀粉、马来酸酐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐在密炼机中按以下重量份混合：淀粉120kg、马来酸酐1kg、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐0.25kg；调节密炼机的温度为100℃，转子转速为40r/min,密炼时间为3min，冷却后粉碎，得马来酸淀粉酯备用；
(2)阻燃剂的制备：
将马来酸淀粉酯、聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸盐按以下重量份混合：马来酸淀粉酯20kg、聚磷酸铵45kg、三聚氰胺氰尿酸盐15kg；拌匀，制得助燃剂备用；
(3)阻燃聚乳酸复合材料的制备：
将阻燃剂与聚乳酸在密炼机中按20：55的质量比混合，再将密炼后的混料在平板硫化机模压成片材，即可。
实施例2
一种阻燃聚乳酸复合材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)制备马来酸淀粉酯：
将淀粉、马来酸酐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐在密炼机中按以下重量份混合：淀粉190kg、马来酸酐15kg、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐2.5kg；调节密炼机的温度为150℃，转子转速为80r/min,密炼时间为15min，冷却后粉碎，得马来酸淀粉酯备用；
(2)阻燃剂的制备：
将马来酸淀粉酯、聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸盐按以下重量份混合：马来酸淀粉酯40kg、聚磷酸铵60kg、三聚氰胺氰尿酸盐20kg；拌匀，制得助燃剂备用；
(3)阻燃聚乳酸复合材料的制备：
将阻燃剂与聚乳酸在密炼机中按45：80的质量比混合，再将密炼后的混料在平板硫化机模压成片材，即可。
实施例3
一种阻燃聚乳酸复合材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)制备马来酸淀粉酯：
将淀粉、马来酸酐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐在密炼机中按以下重量份混合：淀粉150kg、马来酸酐8kg、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐1.65kg；调节密炼机的温度为130℃，转子转速为60r/min,密炼时间为8min，冷却后粉碎，得马来酸淀粉酯备用；
(2)阻燃剂的制备：
将马来酸淀粉酯、聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸盐按以下重量份混合：马来酸淀粉酯30kg、聚磷酸铵52kg、三聚氰胺氰尿酸盐18kg；拌匀，制得助燃剂备用；
(3)阻燃聚乳酸复合材料的制备：
将阻燃剂与聚乳酸在密炼机中按35：75的质量比混合，再将密炼后的混料在平板硫化机模压成片材，即可。
实施例4
一种阻燃聚乳酸复合材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)制备马来酸淀粉酯：
将淀粉、马来酸酐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐在密炼机中按以下重量份混合：淀粉120kg、马来酸酐15kg、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐0.25kg；调节密炼机的温度为100℃，转子转速为80r/min,密炼时间为3min，冷却后粉碎，得马来酸淀粉酯备用；
(2)阻燃剂的制备：
将马来酸淀粉酯、聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸盐按以下重量份混合：马来酸淀粉酯40kg、聚磷酸铵45kg、三聚氰胺氰尿酸盐20kg；拌匀，制得助燃剂备用；
(3)阻燃聚乳酸复合材料的制备：
将阻燃剂与聚乳酸在密炼机中按25：80的质量比混合，再将密炼后的混料在平板硫化机模压成片材，即可。
实施例5
一种阻燃聚乳酸复合材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)制备马来酸淀粉酯：
将淀粉、马来酸酐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐在密炼机中按以下重量份混合：淀粉190份、马来酸酐15份、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐2.5份；调节密炼机的温度为150℃，转子转速为40r/min,密炼时间为15min，冷却后粉碎，得马来酸淀粉酯备用；
(2)阻燃剂的制备：
将马来酸淀粉酯、聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸盐按以下重量份混合：马来酸淀粉酯40kg、聚磷酸铵60kg、三聚氰胺氰尿酸盐20kg；拌匀，制得助燃剂备用；
(3)阻燃聚乳酸复合材料的制备：
将阻燃剂与聚乳酸在密炼机中按45：55的质量比混合，再将密炼后的混料在平板硫化机模压成片材，即可。
1、以实施例1为例，原料组成配比不变，制备方法不变，不同之处在于，调节阻燃剂和聚乳酸之间的比例搭配，对制备的复合材料的阻燃效果进行统计，结果如表1所示：
表1
以实施例1为例，在阻燃剂中淀粉酯、聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸的质量比不变的条件下，研究不同比例阻燃剂/聚乳酸对复合材料阻燃材料燃烧性能的影响，结果如表1所示。由表1可知，在阻燃剂/聚乳酸复合材料体系中，随着阻燃剂用量的不断增加，材料的LOI逐渐增加，当阻燃剂仅达20wt％时，复合材料的LOI值仍能达到32.2％，达到难燃级别，当阻燃剂含量达45wt％时，复合材料的LOI值能高达41.4％，比纯聚乳酸的LOI值(20.7)高出一倍多，比聚乳酸/MS为90/10的复合材料的LOI值(24.1)高出17.3，超出71.2％。故我们可得出，马来酸淀粉酯、聚磷酸铵及三聚氰胺氰脲盐可以复配阻燃聚乳酸，且有较好的阻燃效果。
2、分别对本发明实施例1-5制备的复合材料的阻燃效果进行统计，结果如表2所示：
表2
LOI UL94
实施例1 33.5 V-0
实施例2 40.8 V-0
实施例3 38.6 V-0
实施例4 34.5 V-0
实施例5 42.4 V-0

Claims (8)

1.一种阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，由以下原料组成：聚乳酸、淀粉、马来酸酐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸盐；
所述阻燃聚乳酸复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备马来酸淀粉酯：
将淀粉、马来酸酐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐混合，经密炼机共混改性，冷却后粉碎，得马来酸淀粉酯备用；
(2)阻燃剂的制备：
将马来酸淀粉酯、聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸盐，充分搅拌均匀，制得助燃剂备用；
(3)阻燃聚乳酸复合材料的制备：
将阻燃剂与聚乳酸在密炼机中进行密炼混合，再将密炼后的混料在平板硫化机模压成片材，即可。
2.如权利要求要求1所述的阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的淀粉，是木薯淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉中的一种。
3.如权利要求要求1所述的阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的马来酸淀粉酯，由以下按重量份计的原料组成：淀粉120-190份、马来酸酐1-15份、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐0.25-2.5份。
4.如权利要求要求1所述的阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的阻燃剂，由以下按重量份计的原料组成：马来酸淀粉酯20-40份、聚磷酸铵45-60份、三聚氰胺氰尿酸盐15-20份。
5.如权利要求要求1或4所述的阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的阻燃剂，由以下按重量份计的原料组成：马来酸淀粉酯30份、聚磷酸铵53份、三聚氰胺氰尿酸盐18份。
6.如权利要求要求1所述的阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的复合材料，是将阻燃剂与聚乳酸按20～45：55～80的质量比混合制得。
7.如权利要求要求1或6所述的阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的复合材料，是将阻燃剂与聚乳酸按20：80的质量比混合制得。
8.如权利要求要求1所述的阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的共混改性，调节密炼机的温度为100-150℃，转子转速为40-80r/min,密炼时间为3-15min。
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