聚乳酸(PLA)是一種生物基的生物可降解聚酯,因其優(yōu)異的力學性能正被越來越多地應用于醫(yī)學和工業(yè)領域。在日本PLA的應用已被擴展至電子領域。在某些應用中要求PLA材料具有阻燃性。眾所周知,膨脹型阻燃劑在某些聚合物中具有高效的阻燃性,而且由于其在燃燒時的低煙低毒性而被作為無鹵添加劑廣泛應用。
在本研究中,我們希望能進一步研究PLA和傳統(tǒng)膨脹型阻燃劑阻燃PLA體系的力學性能、熱降解行為和煙霧的毒性。共混首先在TE-20雙螺桿擠出機(反向旋轉(zhuǎn))中進行,加工溫度和螺桿轉(zhuǎn)速分別為180 °C和40 rpm。然后再模塑成不同形狀以供各種表征使用。PLA材料的阻燃性能隨著IFR含量的增加而提高,不過力學性能卻受到了負面影響。當IFR含量為30%時,體系的氧指數(shù)達40.2%而且能通過UL-94 V-2級,但是拉伸強度卻從60.8MPa下降到11.6MPa。掃描電鏡圖片顯示PLA和IFR之間相容性很差。錐形量熱測試能提供更多關于PLA材料燃燒行為的信息。阻燃PLA體系的熱釋放速率(HRR)和重量損失速率 (MLR) 較純PLA要低。但是當添加30%的IFR之后體系的比消光面積(SEA)增加了超過40倍。同時一氧化碳的釋放量從0.027 kg/kg增加到了0.144 kg/kg。這些數(shù)據(jù)表明阻燃PLA體系的煙霧毒性遠比純PLA要高。阻燃PLA體系的可回收性取決于其熱行為。為了更深入地了解阻燃PLA體系的熱降解行為,我們采用了熱重-質(zhì)譜聯(lián)用 (TG-MS)進行表征。將10±0.2 mg的各樣品在氮氣氛圍下以10°C/min的加熱速率從30 °C加熱到700 °C。
IFR的熱穩(wěn)定性在分解初期比純PLA要低。相反,IFR的碳層在高溫下卻要更為穩(wěn)定,其在600 °C下有38wt%的殘?zhí)苛?。阻燃PLA體系的殘?zhí)苛吭诟邷叵码S著IFR含量的提高而提高。其中PLA-3 (30% IFR)生成了18 wt%的殘?zhí)浚ɡ碚撚嬎阒禐?2 wt%殘?zhí)苛浚?。PLA的熱降解機理很復雜。有包括
m/z=28 (CO)m/z=17
18 (H2O)m/z=15
(CH3)m/z=444342
(CH3CHO)m/z=5556
(CH3CHCO)m/z=72
(CH3CH(O)CO)的一系列分子被探測到。其中CH3CHO和CH3CHCO是主要的可燃小分子。CH3CH(O)CO是環(huán)齊聚物的組成部分,其對于PLA的回收相當重要。IFR的添加極大地改變了PLA的熱降解行為。在PLA-3的TG-MS曲線中被發(fā)現(xiàn)的粒子要少得多m/z=15 (CH3)m/z=55,56 (CH3CHCO) 和m/z=72 (CH3CH(O)CO)等分子均沒有被探測到。與PLA-0相比,m/z=44,43,42粒子流的濃度要低一些,不過m/z=18的濃度要高一些。在季戊四醇中降解產(chǎn)生的粒子m/z=41 (CCHO)在阻燃PLA的熱降解中被探測到,該粒子同樣在IFR的TG-MS曲線中被探測到。在對比m/z=28離子流的濃度之后,我們的結(jié)論是阻燃PLA產(chǎn)生的一氧化碳要比純PLA多。而在分析純PLA、IFR以及阻燃PLA在熱降解過程中分別產(chǎn)生氣體的改變,我們認為IFR形成的膨脹碳層不僅可以阻止阻燃PLA內(nèi)部的進一步分解,而且對氣體產(chǎn)生也有影響??扇夹》肿雍铜h(huán)齊聚物的產(chǎn)生均被有效抑制。