活性炭對聚乳酸的阻燃增強(qiáng)

　　聚乳酸是一種擁有優(yōu)異的生物相容性和生物降解性、良好的加工性和豐富的原材料供應(yīng)的物質(zhì)，由于其性質(zhì)廣泛應(yīng)用于食品包裝、汽車零部件、3D打印和航空航天工業(yè)。然而，熱穩(wěn)定性不足和在高溫下易降解，極大地阻礙了其在電子和各種商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。為了解決這個問題，我們通過對活性炭浸漬磷酸和尿素進(jìn)行改性，成功合成了一種含磷氮的活性炭，并且將這種新型活性炭進(jìn)一步加載到聚乳酸基質(zhì)中以制備成活性炭聚乳酸復(fù)合材料。以活性炭為阻燃載體，讓聚乳酸具有出色的阻燃性能，同時保持無毒和可生物降解的性能。

　　活性炭聚乳酸復(fù)合材料

　　聚乳酸、活性炭和改性活性炭粉末在180℃下通過螺桿轉(zhuǎn)速為30rpm的普通雙螺桿擠出機(jī)混合到制備好的母料中之前進(jìn)行干燥。母粒用于通過在180℃下熱壓制備指定的復(fù)合材料樣品。制成了兩種復(fù)合材料，純聚乳酸樹脂也作為參考進(jìn)行�；钚蕴亢土椎�改性活性炭的表面形貌和EDAX光譜如圖1所示。從圖1a可以看出，活性炭具有高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和光滑的表面，其高比表面積為阻燃劑的接枝提供了足夠的反應(yīng)位點(diǎn)。請注意，改性活性炭的無定形表面不存在微孔，并且被阻燃劑包裹(圖1b)。EDAX元素分析(圖1c或圖1d)顯示改性活性炭的氮、磷和氧含量顯著增加，這可以認(rèn)為是磷酸和尿素與活性炭的含氧官能團(tuán)發(fā)生接枝反應(yīng)。

　　圖1：活性炭(a)和改性活性炭(b)的表面形態(tài)和活性炭(c)和改性活性炭(d)的EDAX光譜。

　　燃燒性能

　　極限氧指數(shù)測試后聚乳酸、添加活性炭和添加改性活性炭的復(fù)合材料圖像如圖2所示。可以看出純聚乳酸很容易點(diǎn)燃，有明顯的滴落現(xiàn)象，其極限氧指數(shù)為20.1%，在UL-94測試中沒有評級結(jié)果�；钚蕴烤廴樗釓�(fù)合材料的阻燃性能顯著提高，極限氧指數(shù)隨著活性炭負(fù)載量的增加而增加，而滴落的發(fā)生程度有限。相比之下，改性活性炭的極限氧指數(shù)達(dá)到28%時，阻燃性顯著提高。即使是添加3.0%的少量改性活性炭復(fù)合材料，該值也達(dá)到了31.7%，而在當(dāng)前工作中當(dāng)改性活性炭負(fù)載為9wt.%時，滴落受到了極大的限制，并且在UL-94測試中也獲得了0級�？梢缘贸鼋Y(jié)論，改性活性炭表現(xiàn)出優(yōu)于未改性活性炭的良好性能。

　　圖2：極限氧指數(shù)測試后復(fù)合材料的數(shù)字圖像：(a)聚乳酸，(b)添加活性炭3%，(c)添加活性炭6%，(d)添加活性炭9%，(e)添加改性活性炭3%，(f)添加改性活性炭6%,(g)添加改性活性炭9%。

　　熱穩(wěn)定性

　　熱重分析結(jié)果列于圖3中。所有樣品均呈現(xiàn)單一熱降解階段，但5%質(zhì)量損失溫度(T5%)或熱降解速率最高溫度(Tmax)略有不同。純聚乳酸在322℃時開始快速降解，如圖3a所示，其Tmax達(dá)到363℃，并且在400℃時幾乎所有質(zhì)量都損失了。在800℃的終端溫度下測得相應(yīng)的殘?zhí)柯蕛H為1.35%。相比之下，當(dāng)應(yīng)用改性活性炭時，酸性添加劑(磷酸鹽)會促進(jìn)聚乳酸復(fù)合材料的較早分解，這與之前的結(jié)果一致。殘?zhí)柯孰S著復(fù)合材料中改性活性炭的加載而逐漸增加。純聚乳酸和改性活性炭復(fù)合材料的Tmax幾乎沒有差異，分別為363℃、364℃、357℃和363℃。因此可以看出，改性活性炭負(fù)載對聚乳酸降解沒有影響。在600℃到800℃的范圍內(nèi)，聚乳酸燃燒的殘余物沒有質(zhì)量變化，但在一定程度上可以觀察到輕微的質(zhì)量損失，表明加入改性活性炭后復(fù)合材料的燃燒延遲。

　　圖3：活性炭復(fù)合材料的熱重分析(a,c)和DTG(b,d)曲線。

　　殘留碳分析

　　當(dāng)加載足夠的改性活性炭時，膨脹的殘余碳可以通過其質(zhì)量、連續(xù)性和致密性得到證實，這些都得到了極大的改善。一般來說，膨脹的殘余碳可以減少凝相和氣相之間潛在的熱和傳質(zhì)，這反過來又會引起燃燒抑制。經(jīng)過錐形量熱儀測試后如圖4中的圖案所示，可以注意到殘留碳的顯著形態(tài)差異。在改性活性炭6%和改性活性炭9%的表面上可以看到空隙和裂口(圖4a1、b1)，它們可以作為熱量的擴(kuò)散途徑，并且在燃燒過程中會揮發(fā)。此外，相比之下，改性活性炭9%在表面提供了精細(xì)的皺紋覆蓋層(圖4c1)，這產(chǎn)生了有效的凝聚相阻燃性，此外，皺紋形態(tài)可以作為復(fù)合材料的增強(qiáng)框架。

　　圖4:錐形量熱儀測試復(fù)合材料中殘留碳的形態(tài)：改性活性炭3%(a)、改性活性炭6%(b)和改性活性炭9%(c)。

　　活性炭對聚乳酸的阻燃增強(qiáng)，我們成功研發(fā)了一種含磷氮的活性炭，并將其應(yīng)用于聚乳酸復(fù)合材料的阻燃增強(qiáng)。TGA分析表明，改性可以增強(qiáng)活性炭的熱穩(wěn)定性，并且隨著復(fù)合材料中改性活性炭的負(fù)載量增加，殘?zhí)柯蕰�相�?yīng)增加，從而導(dǎo)致聚乳酸的早期降解和碳化，從而形成更多的殘?zhí)�。機(jī)械強(qiáng)度研究表明改性活性炭復(fù)合材料的剛度降低和抗變形能力增強(qiáng)。與純聚乳酸和活性炭聚乳酸對應(yīng)物相比，復(fù)合材料在阻燃性方面表現(xiàn)出色。當(dāng)加載9wt.%改性活性炭時，復(fù)合材料可以達(dá)到V-0等級(UL94)，極限氧指數(shù)值為31.75%。錐形量熱儀測試結(jié)果表明，通過降低總放熱、放熱率和更高的殘余質(zhì)量可以改善燃燒性能，這證實了改性活性炭復(fù)合材料中是一種有效的阻燃劑，殘?zhí)悸食�過理論值50%以上。殘?zhí)康男螒B(tài)結(jié)構(gòu)證明改性活性炭可以促進(jìn)形成致密連續(xù)的碳層，有效保護(hù)下層基質(zhì)免受燃燒。

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