稀土类水滑石的制备及其在聚乳酸中阻燃、抑烟的应用研究

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随着石油危机和白色污染的日益加重,生物基可降解复合材料的研发迫在眉睫。其中聚乳酸(PLA)作为典型的高性能可降解塑料得以广泛研究,但它的易燃性限制了其在有阻燃需求领域中的应用。类水滑石(LDHs)具有较高的比表面积和良好的热稳定性,将LDHs作为PLA的阻燃剂具有价格低、无污染等优点,但其与PLA的相容性较差且阻燃效率较低,可以通过优化LDHs的结构有效地提高其阻燃效率。稀土元素特有的电子排布使其拥有独特的性质和广泛的用途,因此将LDHs和稀土元素结合制备成性能优异的稀土掺杂LDHs具有广阔的应用前景。本论文系统地开展了基于稀土掺杂LDHs的改性以及其在PLA中阻燃、抑烟的应用研究。主要工作概括如下:1.本章采用水热辅助共沉淀法合成稀土RE(RE=La、Ce、Sm、Eu、Tb、Y)掺杂镁铝水滑石,记为MgAlRE-LDHs,利用XRD、FT-IR、SEM、TEM和TG对产物进行表征,探讨在合成过程中p H值、稀土离子的类型和比例对Mg Al-LDHs的影响,优选出在p H=11、n(Mg2+):n(Al3+):n(Y3+)为2:0.9:0.1条件下所合成MgAlY-LDHs的形貌和晶型更为均一,且分散性、热稳定性更加良好。通过热重分析(TG)和锥形量热实验(CCT)研究MgAlY-LDHs对PLA的热稳定性和阻燃性的影响。结果表明PLA/MgAlY-LDHs复合材料的热稳定性和阻燃性随MgAlY-LDHs添加量的增加而增强,添加25 wt%的MgAlY-LDHs使复合材料的残炭质量达到15.2%,热释放速率峰值(PHRR)相比纯PLA下降了37.2%。2.本章以溶剂热法辅助超声剥离制备带负电的Mo S2纳米片的稳定分散液,并通过静电相互作用与带正电的MgAlY-LDHs纳米片构建Mo S2/LDHs纳米杂化材料。该材料相比LDHs具有更优异的分散性、热稳定性以及与PLA基体更良好的相容性。与添加相同含量的LDHs相比,Mo S2/LDHs对PLA复合材料的热稳定和烟雾抑制性有显著的提升作用,5 wt%的Mo S2/LDHs可使复合材料的PHRR、总烟释放(TSP)、二氧化碳释放速率峰值(CO2P)分别下降10.4%、8.3%、19.8%。3.本章用一步水热法制备聚磷酸铵(APP)插层MgAlY-LDHs,XRD、FT-IR、SEM-EDS和TEM证实目标APP-LDHs已被成功合成,并利用熔融共混制备PLA/APP-LDHs复合材料。阻燃测试结果表明,引入15 wt%的APP-LDHs可使PLA在垂直燃烧实验中通过V-0等级并获得24%的极限氧指数(LOI)值,并且由于APP-LDHs的催化阻隔作用使复合材料的PHRR和总热释放(THR)分别降低了43%、20%。
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