一種阻燃聚乳酸材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及阻燃聚合物材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種阻燃聚乳酸材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在石油資源日益枯竭和全球提倡低碳環(huán)保的今天，非石油基高分子材料越來越受到人們的關(guān)注。聚乳酸(PLA)主要通過可再生資源(例如玉米、木薯等的提取物)發(fā)酵、脫水、純化、聚合得到，廢棄后又可以通過堆肥方式分解成二氧化碳和水返回自然界，實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，是一種極具發(fā)展前景非石油基聚合物。與其他非石油基聚合物相比，PLA具有良好的機(jī)械性能、光學(xué)性能和加工性能，已廣泛應(yīng)用于建筑、織物、包裝、電子、電氣、汽車等領(lǐng)域。然而，PLA高度易燃，氧指數(shù)僅為19?22vol%，無法用UL-94垂直燃燒法分級(jí)，且燃燒過程中存在嚴(yán)重的熔滴現(xiàn)象(滴落的高溫熔體易造成二次燃燒和人員燒傷)，這極大限制了其進(jìn)一步應(yīng)用(Polymers for Advanced Technologies, 2009，20:1114-1120)。因此，改善PLA的阻燃性和抗熔滴能力對(duì)拓展PLA制品的應(yīng)用具有十分重要的意義。
[0003]相對(duì)于傳統(tǒng)含鹵阻燃劑，膨脹型阻燃劑(IFR)具有無毒、環(huán)保、價(jià)廉的優(yōu)勢，在聚合物的阻燃研宄中得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，多數(shù)傳統(tǒng)IFR對(duì)PLA的阻燃效果有限，在含量高達(dá)40wt %時(shí)垂直燃燒級(jí)別僅為V-2級(jí)(Polymers For AdvancedTechnologies 2008，19:628-635)，其主要原因在于PLA熔體粘度低，IFR形成的炭層隨熔體滴落而無法覆蓋在材料表面?，F(xiàn)有抑制聚合物熔滴的方法主要包括交聯(lián)聚合物基體、添加納米填料、開發(fā)新阻燃劑，這些方法雖然有一定的抑制熔滴效果，但是存在成本高、應(yīng)用局限性大等缺點(diǎn)。此外，IFR的另外一個(gè)問題是添加量仍然較大，導(dǎo)致成本增大，不利于PLA產(chǎn)品的推廣。為了充分利用傳統(tǒng)IFR，并降低阻燃劑使用量，需要提出一種有效、簡單易行、便于實(shí)際應(yīng)用的方案來提高PLA的抗熔滴能力，從而提高其阻燃性。
[0004]研宄發(fā)現(xiàn)，天然植物纖維在燃燒過程中具有以下特點(diǎn):①增大聚合物熔體粘度；②對(duì)聚合物熔體具有拖曳作用，阻礙熔體向下滴落，起到抑制熔滴的作用。研宄表明聚合物/天然纖維復(fù)合材料燃燒過程中不存在熔滴現(xiàn)象，具有類似木質(zhì)纖維素的燃燒特點(diǎn)(Polymer Internat1nal 2010，59:242-248 ;Journal of Thermoplastic CompositeMaterials, 2010，23:871-893)。此外，從組成結(jié)構(gòu)來看，天然植物纖維中含有大量羥基和六元環(huán)，燃燒過程中能夠產(chǎn)生較多殘?zhí)浚虼丝梢杂米骶G色環(huán)保型碳源(PolymerEngineering And Science 2012,52:2620-2626)。
[0005]本發(fā)明利用無鹵阻燃劑IFR作主阻燃劑，可再生及生物降解的苧麻纖維作碳源和抗熔滴劑制備阻燃PLA材料。低含量的IFR和苧麻纖維即可使該阻燃PLA材料的極限氧指數(shù)達(dá)到32vol%，垂直燃燒等級(jí)達(dá)到V-O級(jí)，并且賦予其良好的抗熔滴能力。本發(fā)明提供的方法制備過程簡單，通過傳統(tǒng)的高分子加工方法即可實(shí)現(xiàn)，工藝易于掌握，綠色環(huán)保，生產(chǎn)成本低，容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。從現(xiàn)有阻燃PLA的專利來看，利用傳統(tǒng)IFR制備阻燃PLA的專利較少，利用低含量的傳統(tǒng)IFR阻燃PLA的專利更是不多見；此外，目前尚無利用傳統(tǒng) IFR復(fù)配少量苧麻纖維制備阻燃PLA的專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種阻燃聚乳酸材料的制備方法。并使其具有制備過程簡單，工藝易于掌握，阻燃劑成本低，實(shí)用性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可抑制PLA材料垂直燃燒過程中的熔滴現(xiàn)象，使其通過UL-94V-0級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)低含量IFR阻燃PLA的目的。
[0007]本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下:
[0008]一種阻燃聚乳酸材料的制備方法，主要原料按以下重量百分比構(gòu)成:聚乳酸PLA80%，膨脹型阻燃劑IFR 12%?18%，苧麻纖維8%?2%，其制備方法包括以下步驟:
[0009](I)原料干燥:將PLA、IFR、苧麻纖維在70?80°C下真空干燥4?5h，直到水分重量含量低于0.01% ；
[0010](2) PLA/IFR預(yù)混物制備:將步驟(I)中干燥的PLA和IFR通過高速混合機(jī)混合均勻得到PLA/IFR預(yù)混物；
[0011](3)PLA/IFR/苧麻纖維混合粒料制備:步驟⑵所得PLA/IFR預(yù)混物與(I)處理后的苧麻纖維經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)熔融共混，擠出物料經(jīng)水槽冷卻后通過切粒機(jī)造粒；擠出機(jī)加料段、壓縮段和計(jì)量段溫度分別設(shè)定為150?160°C，175?185°C，170?180°C ;主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速為100?150rpm ;加料速度為6?8rpm ；
[0012](4)粒料干燥:將步驟(3)所得粒料在70?80°C下真空干燥4?5h，直到水分重量含量低于0.01% ；
[0013](5)注塑成型:將步驟(4)所得干燥粒料進(jìn)行注塑成型，注塑機(jī)料筒溫度為185?1950C ;噴嘴溫度為180?190°C ;模具溫度為20?30°C ;保壓壓力為30?40MPa。
[0014]在上述步驟⑴中，優(yōu)選地，所述PLA的相對(duì)分子質(zhì)量為1.3X 105g/mol，恪體流動(dòng)指數(shù)為 3 ?5g/10min (190°C, 2.16kg)；
[0015]優(yōu)選地，所述苧麻纖維為精梳苧麻纖維，其平均直徑為11.6 μ m ;
[0016]優(yōu)選地，所述IFR由II型聚磷酸銨和三聚氰胺按重量比4:1組成，其中II型聚磷酸銨的聚合度彡1000，細(xì)度彡800目。
[0017]本發(fā)明提出一種阻燃聚乳酸材料制備方法相比于現(xiàn)有的其他方法，如交聯(lián)PLA、添加納米填料、開發(fā)新阻燃劑等，具有效果好、成本低、易分散、便于實(shí)際應(yīng)用等優(yōu)勢。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0019](I)通過本發(fā)明制備的阻燃PLA材料，其添加劑只包括已工業(yè)化的IFR和少量苧麻纖維，與常規(guī)的IFR阻燃PLA體系相比，具有IFR添加量少，成本低的優(yōu)勢，這對(duì)阻燃聚乳酸材料的工業(yè)化生產(chǎn)十分重要。
[0020](2)通過本發(fā)明制備的阻燃PLA材料，不需要其他特殊加工設(shè)備。機(jī)械預(yù)混可在高速混合機(jī)中完成，擠出造粒使用普通雙螺桿擠出機(jī)即可；注塑設(shè)備、工藝與純PLA的相同，沒有其他特殊后處理過程。整個(gè)操作過程簡單易行，符合一般生產(chǎn)習(xí)慣。因此具有實(shí)用性強(qiáng)，適用性廣的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實(shí)施例4極限氧指數(shù)(32vol% )與垂直燃燒測試后的試樣；
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例4苧麻在PLA基體中分布和長度掃描電子顯微鏡圖片；
[0023]圖3為本發(fā)明實(shí)施例4燃燒后殘?zhí)績?nèi)部結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖片；
[0024]圖4為本發(fā)明實(shí)施例4燃燒后的殘?zhí)客獗砻鎾呙桦娮语@微鏡圖片；
[0025]圖5為實(shí)施例1-7和比較例1-3的配方；
[0026]圖6為實(shí)施例1-7及比較例1-3的極限氧指數(shù)(LOI)、燃燒至夾具情況，熔滴程度，引燃脫脂棉情況和垂直燃燒法分級(jí)結(jié)果列表。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面給出的實(shí)例是對(duì)本發(fā)明的具體描述，有必要在此指出的是以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域技術(shù)熟練人員根據(jù)上述
【發(fā)明內(nèi)容】
對(duì)本發(fā)明做出的非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028]另外，需要指出的是，以下實(shí)施例中的物料均為質(zhì)量份。
[0029]實(shí)施例1?7
[0030](I)原料干燥:將PLA、IFR、苧麻在70?80°C下真空干燥4?5h，直到水分重量含量低于0.01% ；
[0031](2)PLA/IFR機(jī)械預(yù)混物制備:利用高速混合機(jī)將一定比例的PLA和