CN116285268A - 一种高韧性阻燃聚乳酸复合材料 - Google Patents
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Abstract
本案涉及一种高韧性阻燃聚乳酸复合材料，包括聚乳酸、阻燃改性石墨烯、有机硅季铵盐、增韧剂。本发明将石墨烯接枝到具有阻燃基团的化合物中，获得了阻燃改性石墨烯，不仅具有良好的阻燃效果，同时由于石墨烯的作用能够改善复合材料的力学性能；增韧剂可对PLA同时产生增容和增韧作用，在有机硅季铵盐的协同增效作用下，可有效提升阻燃改性石墨烯和增韧剂在聚乳酸中的分散性，进而有效提高复合材料的力学性能，赋予PLA优异的柔韧性和撕裂强度。
Description
技术领域
本发明涉及高分子聚乳酸材料改性技术领域，具体为一种高韧性阻燃聚乳酸复合材料。
背景技术
聚乳酸(PLA)是目前已开发出来的生物基高分子材料中最具发展潜力的可完全生物降解的产品之一。随着对PLA的研究不断深入，其应用范围已拓宽至生物医药、骑车、建筑、包装材料、农业等等多个领域。根据不同的应用场景，需要赋予PLA一定的功能，例如在建筑包装材料等领域则需要材料具有一定的阻燃性。然而，PLA是由C、H、O元素组成的链状结构，相较于一般材料更加易燃，且在燃烧过程中还伴随着剧烈的带焰熵滴现象，就会很容易造成二次伤害。为了解决易燃问题，现有技术中一般将PLA与阻燃剂熔融共混，以此来增加PLA的阻燃性能。添加型阻燃剂有很多不同的种类，主要包括卤系、氮系、磷系、硅系阻燃剂以及无机氢氧化物等，这些阻燃剂均能达到良好的阻燃效果。纯PLA的拉伸强度一般在50～59Mpa，断裂伸长率在3～7％之间，添加型阻燃剂的一大劣势为添加量大、易分散不均，虽然提高了阻燃性，但相应会使得PLA材料的力学性能减弱。另一方面，PLA在室温下脆性严重，柔软性和抗冲击性差这一问题也亟待解决。现有技术中通常仅针对其中一项问题进行改进，例如专利CN114456558制备了一种高阻燃性聚乳酸复合材料，但断裂伸长率一般，韧性没有得到改善；又如专利CN105199350A提高了聚乳酸的韧性，但阻燃性能没有得到改善。
发明内容
针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种同时具备高韧性以及阻燃性的聚乳酸复合材料。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高韧性阻燃聚乳酸复合材料，包括聚乳酸、阻燃改性石墨烯、有机硅季铵盐、增韧剂；其中，所述阻燃改性石墨烯的制备过程如下：
S1、将三聚氯氰溶于丙酮，在反应瓶中加入碳酸钾、环氧丙醇以及四氢呋喃，氮气保护下将溶解有三聚氯氰的丙酮溶液滴加到反应瓶中，反应一定时间，获得产物1，
S2、在反应瓶中加入羟基化石墨烯、聚乙二醇胺以及二氯磷酸苯酯，加入DMF作溶剂，搅拌使其混合均匀后在氮气保护下进行氯取代反应获得产物2，
S3、将产物2重新分散在DMF中，加入碳酸钾，将产物1溶于丙酮，之后滴加到DMF溶液中，开环反应获得阻燃改性石墨烯；
所述有机硅季铵盐的结构式为
进一步地，所述步骤S1的反应条件为60℃反应48h。
进一步地，所述步骤S2中乙醇胺以与二氯磷酸苯酯的摩尔比为1:1，羟基化石墨烯与二氯磷酸苯酯的质量比为1～2:10。
进一步地，所述步骤S4中阻燃改性石墨烯、聚乳酸和季铵盐的质量比为1～5:93～99:1～2。
进一步地，所述步骤S4是在35～45℃下超声30～60min。
进一步地，所述步骤S4中挤出过程的温度为150～180℃。
进一步地，所述增韧剂为聚甲基丙烯酸缩水甘油酯-己内酯共聚物。
进一步地，所述聚乳酸、阻燃改性石墨烯、有机硅季铵盐、增韧剂的质量份数为85～95份、1～5份、1～2份、5～10份，共计100份。
现有技术中通过添加型阻燃剂来赋予聚乳酸材料一定的阻燃性能，但通常阻燃剂的添加量较大，且会对聚乳酸的力学性能产生不利影响。在本发明中，发明人采用了阻燃性化合物三聚氯氰以及二氯磷酸苯酯作为起始原料，该两种化合物阻燃性能优异，但都含有氯元素，首先通过环氧丙醇与三聚氯氰中的氯元素进行取代反应消除卤素对环境的不利影响，同时引入了环氧基；之后二氯磷酸苯酯中两个氯元素提供两个活性位点分别与羟基化石墨烯和乙醇胺发生氯取代反应接入了石墨烯和末端羟基，则羟基与环氧基即可通过开环反应使该两种化合物通过化学键连接，得到的这样一个阻燃改性石墨烯添加到聚乳酸中时，可赋予材料阻燃性，同时由于引入了石墨烯有望能够有效提升材料的力学性能。
但在试验中发现直接将该阻燃改性石墨烯添与聚乳酸熔融共混对材料的力学性能并没有起到有利影响，而如果加大阻燃改性石墨烯的添加量，力学性能反而下降。另一方面，增韧剂也可能会使得拉伸强度减弱。本案中通过添加一定的长链有机硅季铵盐可有效改善聚乳酸的力学性能，这是因为长链的有机硅季铵盐在阻燃改性石墨烯、增韧剂和聚乳酸之间起到了协同增效的作用。阻燃改性石墨烯中连接了柔性链聚乙二醇，长链有机硅季铵盐与之形成链缠结及石墨烯插层；增韧剂则是含有环氧基团的弹性体，可对PLA同时产生增容和增韧作用。因此，使得最终的聚乳酸具备较高的韧性，同时保持良好的拉伸强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将石墨烯接枝到具有阻燃基团的化合物中，获得了阻燃改性石墨烯，不仅具有良好的阻燃效果，同时由于石墨烯的作用能够改善复合材料的力学性能；增韧剂可对PLA同时产生增容和增韧作用，在有机硅季铵盐的协同增效作用下，可有效提升阻燃改性石墨烯和增韧剂在聚乳酸中的分散性，进而有效提高复合材料的力学性能，赋予PLA优异的柔韧性和撕裂强度。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例：高韧性阻燃聚乳酸复合材料，包括聚乳酸、阻燃改性石墨烯、有机硅季铵盐、增韧剂，质量份数为85～95份、1～5份、1～2份、5～10份，共计100份。
其中，聚乳酸3001D购自美国Natureworks；
所述阻燃改性石墨烯制备过程如下：
S1、将0.1mol三聚氯氰溶于50ml丙酮，在反应瓶中加入0.1mol碳酸钾、0.3mol环氧丙醇以及100ml四氢呋喃，氮气保护下将溶解有三聚氯氰的丙酮溶液滴加到反应瓶中，60℃反应48h，获得产物1，
S2、在反应瓶中加入1g羟基化石墨烯、18.9g聚乙二醇胺(分子量400，魅罗科技)以及10g二氯磷酸苯酯，加入DMF作溶剂，搅拌使其混合均匀后在氮气保护下进行氯取代反应获得产物2，
S3、将产物2重新分散在DMF中，加入碳酸钾，将产物1溶于丙酮，之后滴加到DMF溶液中，开环反应获得阻燃改性石墨烯。
所述有机硅季铵盐的制备过程如下：
将N,N-双十二甲基胺(5mmol)溶解在100ml乙二醇中，搅拌使其溶解，升温至110℃，滴加γ-氯丙基三甲氧基硅烷(10mmol)，滴加完成后继续反应48h，冷却至室温，去除溶剂，过滤水洗烘干，即得结构式为
所述增韧剂为聚甲基丙烯酸缩水甘油酯-己内酯共聚物，其制备过程如下：
在反应瓶中加入2-亚甲基-1,3-二氧庚烷(MDO)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)，加入引发剂AIBN，之后在氮气保护下于60℃反应48h，MDO:GMA:AIBN的摩尔比为1:1:0.02，得聚甲基丙烯酸缩水甘油酯-己内酯共聚物P(GMA-co-MDO)，分子量为8300g/mol。
应用、聚乳酸复合材料参考如下步骤制得：
将阻燃改性石墨烯、聚乳酸、增韧剂和季铵盐按照一定的质量比分散溶解在水中，35～45℃下超声30～60min，过滤，固体烘干经挤出后，进行切粒和压片，即得高韧性阻燃聚乳酸复合材料；双螺杆挤出机的加工温度分别设置为前端150℃，中端165℃，后端180℃。
将阻燃改性石墨烯、聚乳酸、增韧剂和季铵盐的质量比记为m1:m2:m3:m4，改变该质量比可得到如下实施例，测试其性能，记录在表1中。
表1
从表格中可以看出，本申请提供的聚乳酸复合材料，通过特定质量配比的聚乳酸、自制的阻燃改性石墨烯、有机硅季铵盐以及增韧剂相互协同，不仅具有良好的阻燃性能，而且具有优异的力学性能和加工性能。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (8)
1.一种高韧性阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，包括聚乳酸、阻燃改性石墨烯、有机硅季铵盐、增韧剂；其中，所述阻燃改性石墨烯的制备过程如下：
S1、将三聚氯氰溶于丙酮，在反应瓶中加入碳酸钾、环氧丙醇以及四氢呋喃，氮气保护下将溶解有三聚氯氰的丙酮溶液滴加到反应瓶中，反应一定时间，获得产物1，
S2、在反应瓶中加入羟基化石墨烯、聚乙二醇胺以及二氯磷酸苯酯，加入DMF作溶剂，搅拌使其混合均匀后在氮气保护下进行氯取代反应获得产物2，
S3、将产物2重新分散在DMF中，加入碳酸钾，将产物1溶于丙酮，之后滴加到DMF溶液中，开环反应获得阻燃改性石墨烯；
所述有机硅季铵盐的结构式为
2.如权利要求1所述的阻燃改性石墨烯/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1的反应条件为60℃反应48h。
3.如权利要求1所述的高韧性阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述步骤S2中乙醇胺以与二氯磷酸苯酯的摩尔比为1:1，羟基化石墨烯与二氯磷酸苯酯的质量比为1～2:10。
4.如权利要求1所述的高韧性阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述步骤S4中阻燃改性石墨烯、聚乳酸和季铵盐的质量比为1～5:93～99:1～2。
5.如权利要求1所述的高韧性阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述步骤S4是在35～45℃下超声30～60min。
6.如权利要求1所述的高韧性阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述步骤S4中挤出过程的温度为150～180℃。
7.如权利要求1所述的高韧性阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，所述增韧剂为聚甲基丙烯酸缩水甘油酯-己内酯共聚物。
8.如权利要求1所述的高韧性阻燃聚乳酸复合材料，其特征在于，聚乳酸、阻燃改性石墨烯、有机硅季铵盐、增韧剂的质量份数为85～95份、1～5份、1～2份、5～10份，共计100份。
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2023
- 2023-03-30 CN CN202310327441.1A patent/CN116285268A/zh not_active Withdrawn
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