一种复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于生物可降解聚合物材料改性技术领域，具体涉及一种复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料及其制备方法，包括如下步骤：（1）将植物纤维置于1～8wt%的碱溶液中进行表面改性，将改性后的植物纤维置于0.5～5wt%的聚磷酸铵溶液中进行阻燃处理，制得阻燃植物纤维；（2）将聚乳酸、复配阻燃剂、增韧剂和抗氧剂混匀后与步骤（1）制得的阻燃植物纤维进行熔融共混，冷却造粒，制得具有阻燃性能的聚乳酸/植物纤维复合材料，即复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料。本发明专利技术通过对植物纤维进行阻燃预处理，显著提高了植物纤维/聚乳酸复合材料的阻燃性能和力学强度。

【技术实现步骤摘要】
一种复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料及其制备方法
本专利技术属于生物可降解聚合物材料改性
，具体涉及一种复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料及其制备方法。
技术介绍
聚乳酸（PLA）作为再生资源原料，在短时间内可被微生物分解，分解后的产物为水和二氧化碳。PLA优良的机械性能、生物相容性及可加工等性能，使其在食品包装、生物医疗等领域得以广泛应用，但在工程应用领域，PLA的机械强度仍需改善提升。玻璃纤维可大幅度提升PLA的力学强度和模量，但牺牲了材料的可降解性。被轻量化提升日程的碳纤维，则会增加PLA制品的生产成本，使得PLA产品推广困难。植物纤维来源丰富，价格低廉，机械强度可与玻璃纤维媲美，具有质量轻、无刺激、无污染、可降解等优点，与聚乳酸及其共混合物复合，是开发高性能、低成本生物全降解材料的有效途径。目前植物纤维增强聚合物复合材料已被用于汽车次承载或非承载结构件。PLA和植物纤维属于易燃烧物，极限氧指数均低于20，不具备阻燃性能。现有的植物纤维/聚乳酸复合材料在燃烧过程中无法自动熄灭，熔融物滴落现象严重，无法满足电子、航空、交通等领域的工程应用需求。目前，对木塑复合材料（包含植物纤维增强塑料）阻燃改性的方法多集中在聚磷酸铵、季戊四醇、氢氧化物等方面。虽然它们具有低毒、环保等优点。但存在填充量大，恶化复合材料的界面粘结，对材料的物理性能造成不良影响等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有良好的机械强度和阻燃性能的复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料；本专利技术的另一个目的在于提供一种制备复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料的方法。基于上述目的，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种制备复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料的方法，包括以下步骤：（1）将植物纤维置于1～8wt%的碱溶液中进行表面改性，将表面改性后的植物纤维置于0.5～5wt%的聚磷酸铵溶液中进行阻燃预处理，制得阻燃植物纤维；（2）将聚乳酸、复配阻燃剂、增韧剂和抗氧剂混匀后与步骤（1）制得的阻燃植物纤维进行熔融共混，冷却造粒，制得具有阻燃性能的聚乳酸/植物纤维复合材料，即复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料。进一步地，聚乳酸、植物纤维、复配阻燃剂、增韧剂、抗氧剂的用量均以重量份计，分别为50～90份的聚乳酸、5～30份的植物纤维、2～10份的复配阻燃剂、1～9份的增韧剂、0.1～1份的抗氧化剂。进一步地，复配阻燃剂由三邻苯二胺基环三聚磷腈与聚磷酸铵按照重量比1:1混合而成。进一步地，聚磷酸铵为Ⅱ型，聚磷酸铵的聚合度大于1000。进一步地，植物纤维为连续长纤维或短切纤维，植物纤维的直径为20～50μm。进一步地，植物纤维为苎麻纤维、亚麻纤维、剑麻纤维、黄麻纤维、工业大麻纤维中的任一种或多种。进一步地，增韧剂为聚丁二烯-丙烯腈共聚物、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯、聚己内酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙二醇中的任一种。进一步地，抗氧剂为抗氧剂为1010、抗氧剂168、抗氧剂1076、抗氧剂1330中的任一种或多种。第二方面，本专利技术还请求保护一种由上述制备方法制得的复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料。进一步地，所制得的复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料具有良好的生物降解性和阻燃性能，其阻燃性能通过中国民航规定的燃烧标准测试以及UL94V-0级燃烧测试。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：（1）本专利技术以磷氮类阻燃剂三邻苯二胺基环三聚磷腈与聚磷酸铵的混合物作为复配阻燃剂，该复配阻燃剂具有阻燃高效、环保的特点，同时对木塑复合板材的物理性能影响小。利用聚磷酸铵与三邻苯二胺基环三聚磷腈受热分解产生含氧酸，催化植物纤维/聚乳酸复合材料脱水成炭，在复合材料的表面形成焦炭层，该焦炭层具有隔绝、稀释可燃性或助燃性气体的作用，阻碍物质和热量的传递，从而保护基体材料不受火焰侵蚀，具备良好的阻燃性能。（2）植物纤维作为增强材料的同时，在阻燃过程中作为炭源，对燃烧熔融滴落起拖拽作用，具有协效阻燃效果。随着植物纤维用量的增加，有助于提高聚乳酸/植物纤维复合材料的拉伸强度，同时也提高了复合材料的阻燃性能，这是由于植物纤维的含量提高，复合材料燃烧过程中炭源充足，阻燃协效作用更显著。（3）本专利技术利用碱液对植物纤维进行表面处理，降低植物纤维的亲水性，提高表面粗糙度，有利于植物纤维与聚乳酸之间形成机械锚固，改善植物纤维与聚乳酸之间的界面结合力，提高植物纤维/聚乳酸复合材料的力学强度。（4）本专利技术通过碱液对植物纤维进行表面处理，再将表面处理后的植物纤维浸泡于聚磷酸铵溶液中进行阻燃预处理，使得植物纤维具有膨胀阻燃性。再将阻燃预处理后的植物纤维与聚乳酸、复配阻燃剂、增韧剂和抗氧剂进行熔融共混制得的植物纤维/聚乳酸，同时具备良好的阻燃性能、机械性能以及生物降解性能。由本专利技术制得的植物纤维/聚乳酸复合材料的阻燃性能达UL94V0等级，拉伸强度达73.4MPa。附图说明图1为本专利技术的工艺流程图。具体实施方式实施例1探讨不同用量的复配阻燃剂对制得的聚乳酸/植物纤维复合材料机械性能和阻燃性能的影响（一）样品制备复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料，由以下方法制得，具体步骤为：（1）将植物纤维在浓度为3wt%的氢氧化钠溶液中浸泡6h，经水洗后，将植物纤维浸泡于水中，向其中滴加乙酸至中性，将植物纤维取出干燥，制得表面改性的植物纤维，其中植物纤维为苎麻纤维，植物纤维为连续长纤维或短切纤维，植物纤维的直径为20～50μm。（2）将步骤（1）制得的表面改性的植物纤维置于3wt%聚磷酸铵溶液中浸泡7h进行阻燃预处理，取出干燥，制得具有阻燃性能的阻燃植物纤维，其中，聚磷酸铵为Ⅱ型，聚磷酸铵的聚合度大于1000。（3）将聚乳酸、复配阻燃剂、增韧剂和抗氧剂在60℃下干燥处理8h。其中，复配阻燃剂由三邻苯二胺基环三聚磷腈与聚磷酸铵按照重量比1:1混合而成；增韧剂为聚己二酸对苯二甲酸丁二酯。（4）将干燥后的聚乳酸、复配阻燃剂、增韧剂及抗氧剂在高速混合机中搅拌45min，得到均匀的预混物，其中，抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168的混合物。（5）将步骤（4）制得的预混物与步骤（2）制得的阻燃植物纤维在双螺杆挤出机中熔融共混，其中，螺杆转速为50rpm/min，挤出温度为190℃，混合物冷却后进行造粒，得到具有阻燃性能的聚乳酸/植物纤维复合材料。其中，植物纤维为20重量份、增韧剂为7重量份、抗氧化剂为0.6重量份，另外，聚乳酸、复配阻燃剂的重量份如表1中试样1-1～1-5所示。另外，对比样品1-1为以不添加复配阻燃剂制得的样品，其聚乳酸的用量见表1，植物纤维、增韧剂、抗氧化剂的用量与试样1-1～1-5相同。对比样品1-2为仅添加复配阻燃剂中的聚磷酸铵作为单一阻燃剂制得的样品，聚磷酸铵的用量与试样1-2中复配阻燃剂的用量相同，均为8重量份。对比样品1-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）将植物纤维置于1～8wt%的碱溶液中进行表面改性，将表面改性后的植物纤维置于0.5～5wt%的聚磷酸铵溶液中进行阻燃预处理，制得阻燃植物纤维；/n（2）将聚乳酸、复配阻燃剂、增韧剂和抗氧剂混匀后与步骤（1）制得的阻燃植物纤维进行熔融共混，冷却造粒，制得复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将植物纤维置于1～8wt%的碱溶液中进行表面改性，将表面改性后的植物纤维置于0.5～5wt%的聚磷酸铵溶液中进行阻燃预处理，制得阻燃植物纤维；
（2）将聚乳酸、复配阻燃剂、增韧剂和抗氧剂混匀后与步骤（1）制得的阻燃植物纤维进行熔融共混，冷却造粒，制得复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料。


2.根据权利要求1所述的复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料的制备方法，其特征在于，所述复配阻燃剂由三邻苯二胺基环三聚磷腈与聚磷酸铵按照重量比1:1混合而成。


3.根据权利要求1或2所述的复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料的制备方法，其特征在于，所述聚乳酸、植物纤维、复配阻燃剂、增韧剂、抗氧剂的用量均以重量份计，分别为50～90份的聚乳酸、5～30份的植物纤维、2～10份的复配阻燃剂、1～9份的增韧剂、0.1～1份的抗氧剂。


4.根据权利要求3所述的复配型无卤阻燃植物纤维增强聚乳酸材料的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海梅，李桂丽，陈毅非，叶勇，林军，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41