“三源一體”殼核型阻燃劑的制備及其在聚乳酸中的應(yīng)用

孟 鑫，王小龍，公維光，金 誼

（1.華東理工大學(xué)化工學(xué)院產(chǎn)品工程系，上海市多相結(jié)構(gòu)材料化學(xué)工程重點實驗室，上海 200237；2.華東理工大學(xué)體育新材料研發(fā)中心，上海 200237；3.寧波工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，寧波 315211）

0 前言

PLA是一種以紅薯、土豆等生物質(zhì)作物為原料的可降解熱塑性聚酯，對環(huán)境不會產(chǎn)生“白色污染”[1-5]，同時具有力學(xué)性能優(yōu)良、光澤度高、透明性好、霧度低、回彈性和卷曲持久性優(yōu)良等優(yōu)點[6]，可應(yīng)用于建筑、汽車、電子和電氣產(chǎn)品等領(lǐng)域[7-9]。但是PLA本身阻燃性能極差，屬易燃材料，存在安全隱患[10]，限制了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，提高PLA的阻燃性能具有較大的理論意義和實際應(yīng)用價值。

膨脹型阻燃體系（IFR）由酸源、炭源、氣源等三部分組成，其具有低毒，低煙氣釋放等特點[11-12]，其中聚磷酸銨（APP）是一種優(yōu)良的IFR酸源，具有無毒無味，熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點。殼聚糖（CS）是一種綠色可再生的多糖，且具有廣泛的可得性、廉價性、無毒性和生物可降解性等特點，可作為成炭劑。通過靜電作用，使表面顯正電荷的CS包覆表面顯負(fù)電荷的APP，制備一體化膨脹系阻燃劑APP@CS，可以提升APP的阻燃效果。

阻燃協(xié)效劑可以明顯提升IFR的阻燃效果，促進(jìn)炭層交聯(lián)[13]。主要有金屬氧化物[14-15]、分子篩[16]、HNT[17]、碳納米管（CNT）[18]、蒙脫土（MMT）[11]等。HNT是一種天然物質(zhì)，作為一種優(yōu)良的IFR協(xié)效劑，可以加速膨脹屏蔽炭層的形成，提高殘?zhí)苛?，也可以通過物理強化使殘?zhí)扛臃€(wěn)定、致密[19-21]。另外，金屬和無機粒子復(fù)配，可以更好提升膨脹型阻燃體系的阻燃效果。Yang等[22]用銅（Cu）對ZSM沸石進(jìn)行改性，然后協(xié)效APP用于改性阻燃紙漿，500 Cu-Z/A/pulp2.0在降低THR的同時，抑制總煙霧釋放量（TSR）。Dong等[23]研究表明，相較于PE-HD/IFR30，PE-HD/IFR28/Fe-MMT的LOI從29.0%增加到34.6%，UL 94達(dá)到V-0級，F(xiàn)e-MMT能促進(jìn)連PEHD/IFR形成致密的膨脹炭層。Li等[24]制備了HNT@PDA@Fe（OH）3用于阻燃環(huán)氧樹脂（EP）。HNT@PDA@Fe（OH）3能提升 EP 的殘?zhí)苛俊⑻嵘齃OI值和UL 94等級。在燃燒過程中，F(xiàn)e可以使聚合物快速脫水炭化，從而形成的碳質(zhì)陶瓷層，進(jìn)而發(fā)揮物理屏障作用，提高聚合物的阻燃性能、抑煙性能，因此Fe和HNT具有一定的阻燃協(xié)效效果。

基于此，本文采用層層自組裝法，以APP為核，以天然的CS、Fe3+和HNT為殼，制備“三源一體”膨脹型核殼阻燃劑ACFH，用于PLA阻燃，并對阻燃PLA的阻燃性能和阻燃機理進(jìn)行研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PLA，4032D，美國Natureworks公司；

APP，分析純，國藥集團(tuán)藥業(yè)股份有限公司；

CS，脫乙酰度＞95%，上海麥克林生化科技有限公司；

HNT，分析純，西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司；

氨水，濃度25%～28%，上海泰坦科技股份有限公司；

醋酸、三氯化鐵六水合物（FeCl3·6H2O），分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

轉(zhuǎn)矩流變儀，PolyLabQC，德國ThermoHakke公司；

平板硫化機，CRS-25T，庫爾斯儀器設(shè)備（蘇州）有限公司；

熱重分析儀，Q500，美國TA公司；

熱重-紅外聯(lián)用儀（TG-IR），TGA8000*/8400S，美國PerkinElmer公司；

氧指數(shù)測試儀（LOI），COI，昆山莫帝斯公司；

垂直燃燒儀，HVUL2，美國ATLAS公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），Nova Nano 450，美國FEI公司；

FTT雙柜式錐形量熱儀，PX-07-007，標(biāo)準(zhǔn)集團(tuán)（香港）有限公司。

1.3 樣品制備

ACH的制備：在室溫下，將5.0 g CS溶解于100 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的醋酸水溶液中，形成CS水溶液[6，25]；將15.0 g APP均勻分散于含100 mL去離子水的三口燒瓶中，然后機械攪拌20 min至分散均勻。在持續(xù)機械攪拌作用下，將上述100 mL的CS水溶液加入到上述APP溶液體系中，室溫條件下攪拌反應(yīng)2 h，將體系記為APP/CS共混液。然后，將2.0 g HNT加入到上述APP/CS共混液中，機械攪拌2 h。加入一定量的氨水，調(diào)節(jié)pH至9.0，機械攪2 h。用去離子水離心洗滌3次，最后將固體冷凍干燥12 h。干燥后得到白色固體20.5 g，為ACH。

ACFH的制備：在持續(xù)的機械攪拌下，再將一定量的FeCl3·6H2O加入到上述APP/CS共混液中，機械攪拌2 h，將體系記為APP/CS-Fe共混液。然后在持續(xù)的機械攪拌下，將1.5 g HNT加入到上述APP/CS-Fe共混液中，機械攪拌2 h。加入一定量的氨水，調(diào)節(jié)pH至9.0，機械攪2 h，制備過程如圖1所示。用去離子水離心洗滌3次，最后將固體冷凍干燥12 h，即為ACFH。

圖1 ACFH制備流程圖Fig.1 Synthesis route of ACFH

阻燃PLA的制備：首先將PLA粒料和阻燃劑在80℃的真空干燥箱中干燥12 h，然后按照表1所示的比例將PLA粒料和阻燃劑加入到轉(zhuǎn)矩流變儀中，在170℃、60 rad/s的條件下熔融共混5 min。

表1 實驗配方表Tab.1 Experimental formula

LOI測試標(biāo)準(zhǔn)樣片制備：將密煉得到的PLA復(fù)合材料用粉碎機粉碎，然后放入130 mm×6.5 mm×3 mm的模具中，使用平板硫化儀模壓成型，設(shè)定溫度為170℃、壓力為10 t，然后預(yù)熱5 min、模壓5 min、水冷卻5 min，最后得到測試標(biāo)準(zhǔn)樣條。

垂直燃燒測試標(biāo)準(zhǔn)樣片的制備：把密煉得到的PLA復(fù)合材料用粉碎機粉碎，然后放入130 mm×13 mm×3 mm的模具中，使用平板硫化儀模壓成型，設(shè)定溫度為170℃、壓力為10t，然后預(yù)熱5min、模壓5min、水冷卻5 min，最后得到測試標(biāo)準(zhǔn)樣條。

錐形量熱測試樣條的制備：把密煉得到的PLA復(fù)合材料用粉碎機粉碎，然后放入100 mm×100 mm×6 mm的模具中，使用平板硫化儀模壓成型，設(shè)定溫度為170℃、壓力為10 t，然后預(yù)熱5 min、模壓5 min、水冷卻5 min，最后得到測試標(biāo)準(zhǔn)樣條。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

EDS測試：在3 kV的電壓下檢測樣品的元素分布，樣品測試前先進(jìn)行表面噴鉑處理。

TGA測試：稱取5～10mg樣品，在流速為40mL/min的N2氣氛下，以20℃/min的升溫速率，將樣品從40℃升溫至800℃。

LOI測試：按照ASTM D 2863標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

垂直燃燒分析：按照ASTM D3801標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

錐形量熱分析：按照ASTM D6113標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。用錫紙將標(biāo)準(zhǔn)樣片包好，在35 kW/m2的熱輻射功率下加熱，手動引燃試樣，樣品距離點火器距離為25 mm。

SEM分析：將樣品和錐形量熱測試后的殘?zhí)吭谡婵斟兡x上先進(jìn)行表面噴金處理，然后在工作電壓為3 kV的SEM儀上觀察微觀圖像。

TG-IR分析：首先稱取一定質(zhì)量的PLA復(fù)合材料，在流速為40 mL/min的N2氣氛下，以20℃/min的升溫速率，將樣品從40℃升溫至800℃。將熱重產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物導(dǎo)入進(jìn)紅外光譜氣體池中，對樣品熱重測試過程中氣態(tài)產(chǎn)物進(jìn)行紅外分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻燃劑的表征

從圖2（a）可以看出，APP宏觀上分布均勻，呈小方塊狀，無明顯團(tuán)聚且表面光滑[26]。ACH同樣分布均勻，呈小方塊狀，但相對于APP表面明顯變得粗糙，表面吸附有管狀物質(zhì)HNT，這是由于CS和HNT通過靜電作用自組裝包覆在APP的表面，因此也表明成功制備了ACH。從圖2（c）還可以看出，ACFH保持小方塊狀形貌特征，表面吸附有管狀物質(zhì)HNT，F(xiàn)e3+的引入未明顯改變ACH的表面形貌，表明成功制備了ACFH。

圖2 APP、ACH和ACFH的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM pictures of APP，ACH and ACFH

從圖3中可以看出ACFH呈小方塊狀，且表面粗糙。ACFH含有磷、碳、硅、鋁、鐵等元素，元素分布呈小方塊狀，其中磷是APP的特征元素，碳是殼聚糖的特征元素，硅和鋁是埃洛石的特征元素，表明CS和HNT成功包覆在APP的表面。Fe元素的分布也呈小方塊狀，表明CS通過螯合作用吸附了Fe3+，成功制備了ACFH。

圖3 ACFH的SEM-EDS元素分布圖Fig.3 SEM-EDS element distribution picture of ACFH

從表2和圖4可知，對于最大熱失重溫度（Tmax）而言，APP的Tmax為639.9℃，CS的Tmax為312.3℃，ACH出現(xiàn)兩個失重峰，分別對應(yīng)APP和CS的失重峰，而ACFH只有一個明顯失重峰，對應(yīng)的是CS的失重峰，ACFH的DTG曲線中無明顯的APP的熱失重峰，表明Fe3+可以抑制APP的熱降解行為，更多的APP保存在殘余物中，有利于起到良好的阻燃效果。對于起始分解溫度（T5%）而言，APP的起始分解溫度為351.5℃，CS的起始分解溫度為277.8℃，相對于APP，ACH的起始分解溫度降低為293.8℃，這是由于包覆在APP表面的CS的熱穩(wěn)定性較低造成的[27]；ACFH的起始分解溫度進(jìn)一步降低為279.0℃，表明Fe3+的引入可以催化阻燃劑提前降解。APP的最大熱失重速率為1.035%/℃，CS的最大熱失重速率為0.796%/℃，ACH的最大熱失重速率降低為0.286%/℃，ACFH的最大熱失重速率進(jìn)一步降低為0.198%/℃。ACH的殘?zhí)苛繛?0.8%，ACFH的殘?zhí)苛刻嵘秊?7.2%，說明Fe3+的引入可以抑制阻燃劑的降解，提升殘?zhí)苛俊?/p>

表2 ACFH等TG和DTG數(shù)據(jù)Tab.2 Data of TG and DTG for ACFH

圖4 不同樣品的TG和DTG曲線Fig.4 TG and DTG curves of different samples

2.2 阻燃性能表征

從表3和圖5可知，純PLA的LOI為18.1%，無明顯炭層產(chǎn)生且容易熔融滴落，因此阻燃性能差。PLA/13%ACH和PLA/13%ACFH的LOI分別為27.3%和27.8%，但都沒有通過UL 94 V-0級。PLA/15%ACH和PLA/15%ACFH的LOI分別為28.3%和29.5%，在LOI測試過程中產(chǎn)生明顯殘?zhí)壳覠o明顯熔融滴落。相對于PLA/15%ACH，PLA/15%ACFH的LOI提升1.2%，且通過UL 94 V-0級，表明Fe3+可以提升阻燃體系的效率，提升防火安全性。

表3 PLA及復(fù)合材料的LOI和UL 94等級Tab.3 LOI and UL 94 grade for PLA and composites

圖5 不同樣品LOI測試后的照片F(xiàn)ig.5 Pictures of the samples after LOI tests

2.3 錐形量熱測試

從表4可以看出，ACH和ACFH都可以提升PLA復(fù)合材料的阻燃性能，與純PLA相比，PLA/15%ACH和PLA/15%ACFH的PHRR和THR都呈下降趨勢，其中PLA/15%ACFH的阻燃效果最佳，其PHRR下降33.46%，THR下降22.06%。

表4 PLA及復(fù)合材料的錐形量熱數(shù)據(jù)Tab.4 CCT data of PLA and composites

如圖6（b）所示，純PLA阻燃性能差，在燃燒過程中劇烈燃燒，出現(xiàn)一個巨大的熱釋放峰。由于阻燃劑的添加，PLA/15%ACH和PLA/15%ACFH的熱釋放過程受到抑制，PHRR都明顯降低，且出現(xiàn)第二個熱釋放峰。分析其原因，首先PLA復(fù)合材料被點燃，產(chǎn)生第一個熱釋放峰，在燃燒過程中，ACH或ACFH催化PLA基體產(chǎn)生殘?zhí)浚琍LA復(fù)合材料的熱釋放過程受到抑制，熱釋放速率降低。在這個過程中，PLA基體產(chǎn)生的小分子氣體在PLA基體中聚集，當(dāng)聚集的氣體達(dá)到一定量時沖破PLA基體表面炭層，因此會產(chǎn)生第二個熱釋放峰，然后熱釋放過程變緩，最后熱釋放過程終結(jié)。相對于PLA/15%ACH，PLA/15%ACFH的PHRR更低，總熱釋放量更低，說明HNT和Fe3+具有更好的協(xié)效阻燃效果。

圖6 PLA及復(fù)合材料的總熱釋放量、熱釋放速率和殘?zhí)苛壳€Fig.6 Curves of THR，HRR and residual weight of PLA and composites

從圖6（c）可見，PLA燃燒后幾乎沒有殘?zhí)?，因此阻燃性能差，PLA/15%ACH和PLA/15%ACFH的殘?zhí)苛慷加忻黠@的提升，其中PLA/15%ACFH的殘?zhí)苛孔罡撸瑸?3.9%，這說明HNT和Fe3+具有一定的協(xié)效催化成炭效果。較多炭層的產(chǎn)生，更有利于發(fā)揮炭層的阻隔作用，抑制氧氣和熱量的擴(kuò)散，這與PLA復(fù)合材料的HRR曲線相一致。

如表5所示，純PLA幾乎完全燃燒，煙霧釋放量少，因此峰值煙釋放速率（PSPR）和總煙釋放量（TSR）都很低。與純PLA相比，由于阻燃劑的添加，PLA/15%ACH和PLA/15%ACFH的燃燒過程受到抑制，PSPR和TSR都明顯上升，其中PLA/15%ACFH的PSPR、TSR更低，相對于PLA/15%ACH，ACFH使PLA復(fù)合材料的TSR下降84.2%，這可能是由于較多殘?zhí)康漠a(chǎn)生抑制了PLA復(fù)合材料的燃燒過程造成的。

表5 PLA及復(fù)合材料的煙霧釋放數(shù)據(jù)Tab.5 Results of smoke emission of PLA and composites

結(jié)合圖7可以看出，純PLA的平均CO2釋放量為1.18 kg/kg，平均CO釋放量為0.003 7 kg/kg，PLA/15%ACH和PLA/15%ACFH的平均CO2釋放量都降低，平均CO釋放量都升高，這是由于純PLA幾乎完全燃燒，PLA/15%ACH和PLA/15%ACFH的燃燒過程受到抑制、不完全燃燒造成的。

圖7 PLA及復(fù)合材料的CO2生成量和CO/CO2值隨時間的變化曲線Fig.7 Generation of CO2and CO/CO2curves for PLA and composites

阻燃劑的添加使PLA復(fù)合材料形成致密的膨脹炭層從而起到凝聚相阻燃的效果，在發(fā)揮凝聚相阻燃的同時，PLA基體不完全燃燒產(chǎn)生的部分氣體也可以發(fā)揮氣相阻燃的作用，平均CO釋放量與平均CO2釋放量的比值（CO/CO2值）可以用來表征阻燃劑氣相阻燃的強弱。如圖7（b）所示，相較于PLA/15%ACH，PLA/15%ACFH的CO/CO2值更高，產(chǎn)生的CO更多，燃燒更佳不充分，最終也產(chǎn)生更多的殘?zhí)?，因此一定程度上具有更佳的氣相阻燃效果?/p>

2.4 阻燃機理

圖8為PLA復(fù)合材料CCT測試后的電子照片，可以看出，純PLA幾乎完全燃燒，PLA/15%ACH和PLA/15%ACFH都有大量殘?zhí)浚渲蠵LA/15%ACH的殘?zhí)扛叨葹? mm，PLA/15ACFH的殘?zhí)扛叨冗M(jìn)一步提升到11 mm，說明HNT和Fe3+具有更優(yōu)良的協(xié)效成炭效果，較多的殘?zhí)靠梢愿玫匾种茻崃亢脱鯕獾臄U(kuò)散，從而產(chǎn)生優(yōu)異的凝聚相阻燃效果。

為了進(jìn)一步探索ACFH的凝聚相阻燃機理，采用SEM對CCT測試后的PLA復(fù)合材料殘?zhí)康奈⒂^形貌進(jìn)行表征，圖9為CCT測試后PLA復(fù)合材料殘?zhí)康奈⒂^形貌照片。宏觀上，純PLA在CCT測試后僅留下少量殘?zhí)?，PLA/15%ACH和PLA/15%ACFH都產(chǎn)生大量殘?zhí)俊Ｔ谖⒂^上，PLA/15%ACH的殘?zhí)勘容^破碎，有大量裂紋，難以抑制氧氣和熱量的擴(kuò)散，難以發(fā)揮優(yōu)良的凝聚相阻燃效果。PLA/15%ACFH不僅留下大量殘?zhí)?，且殘?zhí)烤o湊、致密，無明顯裂紋，可顯著，阻隔可燃性氣體的擴(kuò)散，抑制PLA基體和環(huán)境之間的熱量、氧氣的交換，從而實現(xiàn)凝聚相阻燃。

圖9 PLA及復(fù)合材料CCT測試后殘?zhí)康腟EM照片F(xiàn)ig.9 SEM pictures of residue of PLA and composites after CCT

由表6和圖10可知，純PLA的初始分解溫度（T5%）為 363.1℃，PLA/15%ACH的T5%降為342.8℃，這可能是CS熱穩(wěn)定性比較低，在相對較低的溫度就降解成炭的造成的[28]，這與ACH的TG數(shù)據(jù)變化趨勢相一致。PLA/15%ACFH的T5%稍提升至343.6℃，這說明引入Fe3+可提升PLA體系的熱穩(wěn)定性。對于殘?zhí)苛浚働LA的殘?zhí)苛績H為0.7%，PLA/15%ACH和PLA/15%ACFH的殘?zhí)苛糠謩e為11.0%和11.6%，依次增大且高于理論值，說明PLA基體參與了成炭反應(yīng)[27]。PLA/15%ACH殘?zhí)苛康奶嵘饕怯捎贏PP受熱降解為多磷酸，多磷酸催化CS產(chǎn)生更多的殘?zhí)?；HNT則可以進(jìn)一步促進(jìn)交聯(lián)炭層，形成更致密的保護(hù)性殘?zhí)?，炭層可以抑制PLA基體的進(jìn)一步降解，相應(yīng)的，PLA/15%ACH的最大熱分解速率（Rmax）低于PLA。相對于 PLA/15%ACH，PLA/15%ACFH的殘?zhí)苛窟M(jìn)一步提升，這可能是由于APP降解產(chǎn)生的多磷酸和Fe3+反應(yīng)生成熱穩(wěn)定性較高的多磷酸鹽，多磷酸鹽作為鹽橋，一方面，抑制高溫下多磷酸揮發(fā)，這有利于促進(jìn)保護(hù)性炭層的形成；另一方面，交聯(lián)膨脹炭層，提升炭層的熱穩(wěn)定性和機械強度，因此可以進(jìn)一步降低最大熱分解速率，提升殘?zhí)苛俊?/p>

表6 PLA復(fù)合材料的TG和DTG數(shù)據(jù)Tab.6 Results of TG and DTG of PLA composites

圖10 PLA樣品的TG和DTG曲線Fig.10 TG and DTG curves of PLA composites

圖11為PLA復(fù)合材料的TG-IR三維圖和PLA復(fù)合材料在Tmax時的紅外譜圖?？梢钥闯?，PLA復(fù)合材料在降解過程中產(chǎn)生大量氣相產(chǎn)物，相應(yīng)的在三維圖中出現(xiàn)很多紅外吸收峰。PLA/15%ACH、PLA/15%ACFH的紅外吸收峰的位置和純PLA大致相同。但PLA/15%ACFH的三維圖中總體吸收峰強度減弱，這說明PLA/15%ACFH的熱降解過程受到抑制，氣相組分的生成量變小。這主要是在降解過程中阻燃劑ACFH促進(jìn)PLA基體產(chǎn)生大量炭層，炭層產(chǎn)生阻隔作用，從而抑制PLA基體降解。

圖11 PLA及復(fù)合材料的TG-IR三維圖和在Tmax時的紅外譜圖Fig.11 3D pictures of TG-IR results of PLA and composites at Tmax

為了進(jìn)一步對比PLA復(fù)合材料降解過程的快慢，對比PLA復(fù)合材料主要降解產(chǎn)物的紅外吸收譜圖，如圖12所示，與純PLA相比，PLA/15%ACH和PLA/15%ACFH的吸收峰強度都減弱，其中PLA/15%ACFH的吸收峰強度最低，揮發(fā)性產(chǎn)物的生成量少，說明含F(xiàn)e3+的ACFH阻燃劑可以進(jìn)一步促進(jìn)PLA基體形成穩(wěn)定的炭層，抑制降解過程。

圖12 PLA及復(fù)合材料的氣相產(chǎn)物吸收強度Fig.12 Intensity of gas products of PLA and composites

3 結(jié)論

（1）通過自組裝的方式制備了ACH和ACFH兩種殼核型阻燃劑，與APP比，ACH和ACFH的殘?zhí)苛匡@著提升，ACFH在800℃下的殘?zhí)苛繛?7.2 wt%；

（2）與純 PLA 相比，PLA/15ACFH 的 LOI從18.1%提升到29.5%，且通過UL 94 V-0級，具有良好的阻燃性能；ACFH在提升PLA復(fù)合材料的殘?zhí)苛康耐瑫r，還可以降低PHRR、THR和TSR；

（3）ACFH主要發(fā)揮凝聚相阻燃作用，可以促進(jìn)PLA基體產(chǎn)生大量連續(xù)、致密的炭層，起到抑制熱量和氧氣擴(kuò)散的作用，從而具有優(yōu)良的阻燃效果。