氮磷协同膨胀型竹炭基阻燃体系的构建及其改性聚乳酸的研究

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现有常规的膨胀阻燃技术存在诸如工艺复杂、效率低、可持续性差等问题,且采用物理共混的添加方式在多组相的条件下,极易导致复合材料的力学性能显著降低,因此急需开发新型阻燃剂。本研究拟采用表面改性—化学接枝反应来提高竹炭(BC)的阻燃性,并将阻燃竹炭与生物碳源复配构建高阻燃、绿色环保的膨胀型竹炭基协效体系,达到兼顾复合材料力学与阻燃性能、简化阻燃竹炭制备工艺的目标。通过探讨实际阻燃性能表现及内在作用机理,为绿色高效阻燃体系及新型高阻燃、环保炭塑板的研发提供试验基础。主要研究结果如下:(1)成功制备得到阻燃竹炭,最佳阻燃负载达10.94%(BC-m)。表面改性使竹炭表面形成大量酚羟基和羧基,以双氧水改性最显著。阻燃竹炭表面变得无定形且N、O、P元素含量显著增加,在3 370 cm-1、790 cm-1等处出现新的红外特征吸收峰,芳香碳谱向高场轻微化学偏移,且在2θ=15.92°、23.94°等处形成新的结晶结构;平均粒径由50.93 μm略微升至54.20 μm。(2)BC-m显著提升PLA的阻燃性能,提升复合材料的刚度。BC-m/PLA材料的峰值放热率(pHRR)和总放热率(THR)最高较纯PLA下降50%以上。BC-m的加入导致强度略有下降,但弹性模量略有增加。添加10 wt.%时极限氧指数(LOI)达到28.0 vol%;添加30 wt.%时LOI可达32.1 vol%,远高于纯竹炭(22.5 vol%)。且以20 wt.%及以上添加量加入时,材料可通过UL-94 V-0级测试,熔融滴落被显著抑制。BC-m可快速形成致密连续的蜂窝状交联炭化层(凝聚相屏障)实现有效阻燃。(3)构建阻燃协同体系引入PLA,实现力学与阻燃性能的兼顾。结果表明壳聚糖(CS)改善BC-m与PLA的相容性,促进内部晶体重组,其中FPLA-C33的结晶度(38.92%)达纯PLA的43倍,拉伸强度和模量分别提高11.11%和8.42%;FPLA-C53的残碳量(29.42%)比理论值(18.97%)高55.09%。LOI和UL-94测试及协效系数结果表明CS和BC-m的协同作用显著。同水平下添加3 wt.%CS时pHRR和THR最高分别降低26.89%和30.50%。CS和BC-m协同催化形成更稳定的含焦磷酸盐态膨胀炭层,最佳组合为3wt.%CS+20wt.%BC-m。
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