聚乳酸(PLA)作为一种新型的环保材料,具有良好的生物可降解性和生物相容性等优点,被用于食品包装、生物医药等领域。但是PLA的极限氧指数(LOI)仅为18-21%,易燃的特性限制了其在飞机汽车内饰、电子电器等领域的应用。因此为了保持PLA对环境友好的特性,开发无卤环保阻燃剂用以阻燃改性PLA一直是研究的热点。传统的膨胀型阻燃剂(IFR)无卤无毒,但要达到优异的阻燃效果需要较大的添量,同时IFR与材料相容性较差,大量添加势必会影响材料的其他性能,所以传统IFR的阻燃效率亟待提高。目前IFR发展的一大方向是通过制备协效剂,协效IFR提高整体的阻燃效率,在较低添加量下赋予材料良好的阻燃性能。本文首先以具有催化IFR成炭作用的金属离子与植酸反应制备了多种植酸金属盐,将其作为协效剂与IFR复配,用于阻燃改性PLA。研究表明,当IFR和协效剂的总添量为15 wt%,植酸镍、植酸钡和植酸铝的添加量分别为4 wt%、2 wt%和2 wt%时,可以使PLA在UL-94测试中达到V-0级,LOI分别提升到31.6%、31.0%及30.6%。其次,由于植酸镍协同IFR可以最大幅度降低IFR用量并且还能具有最优秀的阻燃性能,所以详细研究了其阻燃PLA的过程,并揭示了阻燃机理。研究发现,当植酸镍与IFR总添量为15 wt%时,随着植酸镍添量增加,阻燃改性PLA的LOI先增大后减小,4 wt%植酸镍协效11 wt%IFR阻燃PLA(PLA/4Ni/11IFR)的LOI达到最大,为31.0%且达V-0级。同时锥形量热分析显示PLA/4Ni/11IFR的最大热释放速率(PHHR)和总热释放量(THR)分别为138.6kW/m2、51.7MJ/m2,相较于未改性PLA分别下降了 62.4%和10.2%,残炭量从0.1 wt%提升至12.6 wt%,即植酸镍与IFR表现出优异的协同阻燃效果。研究其阻燃机理表明,在燃烧过程中PLA/4Ni/11IFR所含镍、磷元素会在凝聚相中发挥催化IFR交联成炭的作用,由此形成的炭层不仅膨胀程度高且完善致密,可以起到优异的凝聚相阻燃作用。此外热重红外分析表明,植酸镍的存在使得IFR交联成炭更为高效快速,在燃烧过程中释放出大量的不可燃气体和含磷热解产物,从而发挥部分气相阻燃作用。最后,为了进一步提升植酸镍协效IFR的阻燃效率,通过自组装的方式将植酸镍、葡甲胺与聚磷酸铵(APP)相结合,制得三元自组装阻燃体系(PA-Ni@N-APP),用于阻燃PLA。研究表明添加14 wt%PA-Ni@N-APP的PLA,其LOI可达到31.5%且达V-0级;PHHR和THR分别大幅下降50.0%和55.9%,PA-Ni@N-APP表现出优异的阻燃效果。研究其阻燃机理表明,PA-Ni@N-APP所含植酸镍在燃烧过程中可以更高效的促进N-APP交联成炭,一方面形成的炭层膨胀程度更高且更为致密,增强了炭层隔绝热量和气体传递的凝聚相阻燃作用;另一方面N-APP的交联成炭会生成大量的不燃性气体和含磷热解产物,这些气体物质可以进入到气相当中稀释或淬灭燃烧链式反应中的自由基,发挥出优良的气相阻燃作用,所以使得整体的阻燃效果十分优异。