基于单宁酸的生物基阻燃剂的构筑及其在聚乳酸中应用

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聚乳酸(PLA)作为典型的环境友好高分子材料,其开发利用能够降低不可降解的石油基聚合物对于环境造成的负面影响,然而其阻燃性、耐老化性以及降解性能仍需提高。本文以单宁酸等作为原料,通过分子设计构建生物基阻燃体系与PLA共混,制备多功能PLA复合材料,并对复合材料阻燃机理、抗紫外线老化机理和生物降解机理进行研究阐述,以更大程度考量PLA产品生命周期。主要实验结果如下:(1)由瓜氨酸(LC)和植酸(PA)通过曼尼希反应合成LC-PA,与单宁酸(TA)共同引入PLA。燃烧测试表明含有10%LC-PA/TA的PLA复合材料极限氧指数(LOI)值达26.9,且通过垂直燃烧测试(UL-94)V-0等级;样品的最大热释放速率和总放热释放量分别降低了24.4%和21.1%。土埋降解后,PLA/10%LC-PA/TA样品出现明显的分子量降低,Mn、Mw和Mz的变化率分别为31.2%、31.4%和51.2%,显著高于纯PLA的变化率(14.8%、16.0%、23.3%)。(2)硼酸(BA)、三聚氰胺(MEL)和TA离子络合制成三元一体阻燃剂(BA-TA-MEL)与PLA共混。PLA/5%BA-TA-MEL复合材料的LOI值提高至27.1,UL-94测试中熔滴数量减少,通过V-0等级。经100 h紫外光照射后,PLA/5%BA-TA-MEL的质量和力学性能保留率高,其紫外线防护系数(UPF)由纯PLA的0.4提升到290.4。此外,BA-TA-MEL在基体中充当有机刚性粒子,使PLA拉伸强度从51.5 MPa增加到了61.4MPa。(3)基于前两章的研究基础,第三章期望合成一体化添加剂,以同时具有阻燃、抗老化和促降解作用。利用壳聚糖(CS)和TA之间的自由基接枝反应合成TA-CS后,通过静电吸附将PA包裹在表面,制备全生物基核-壳阻燃剂PA@TA-CS。3%PA@TA-CS使PLA在垂直燃烧中熔融物的最高温度降低44.8%,不引燃脱脂棉。PLA/3%PA@TA-CS能够阻挡99%的紫外光穿透,UPF值高达852.2。降解测试表明,PA@TA-CS显著加快PLA基体水解速率并促进微生物在材料表面成膜。土壤填埋后,PLA/3%PA@TA-CS表面出现了大量由于微生物生长导致的黑黄斑点;其Mn和Mw保留率分别为71.4%和76.2%,均远低于PLA。
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