一种阻燃聚乳酸材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及阻燃聚合物材料技术领域，特别涉及一种阻燃聚乳酸材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]在石油资源日益枯竭和全球提倡低碳环保的今天，非石油基高分子材料越来越受到人们的关注。聚乳酸(PLA)主要通过可再生资源(例如玉米、木薯等的提取物)发酵、脱水、纯化、聚合得到，废弃后又可以通过堆肥方式分解成二氧化碳和水返回自然界，实现在自然界中的循环，是一种极具发展前景非石油基聚合物。与其他非石油基聚合物相比，PLA具有良好的机械性能、光学性能和加工性能，已广泛应用于建筑、织物、包装、电子、电气、汽车等领域。然而，PLA高度易燃，氧指数仅为19?22vol%，无法用UL-94垂直燃烧法分级，且燃烧过程中存在严重的熔滴现象(滴落的高温熔体易造成二次燃烧和人员烧伤)，这极大限制了其进一步应用(Polymers for Advanced Technologies, 2009，20:1114-1120)。因此，改善PLA的阻燃性和抗熔滴能力对拓展PLA制品的应用具有十分重要的意义。
[0003]相对于传统含卤阻燃剂，膨胀型阻燃剂(IFR)具有无毒、环保、价廉的优势，在聚合物的阻燃研宄中得到了学术界和工业界的广泛关注。然而，多数传统IFR对PLA的阻燃效果有限，在含量高达40wt %时垂直燃烧级别仅为V-2级(Polymers For AdvancedTechnologies 2008，19:628-635)，其主要原因在于PLA熔体粘度低，IFR形成的炭层随熔体滴落而无法覆盖在材料表面。现有抑制聚合物熔滴的方法主要包括交联聚合物基体、添加纳米填料、开发新阻燃剂，这些方法虽然有一定的抑制熔滴效果，但是存在成本高、应用局限性大等缺点。此外，IFR的另外一个问题是添加量仍然较大，导致成本增大，不利于PLA产品的推广。为了充分利用传统IFR，并降低阻燃剂使用量，需要提出一种有效、简单易行、便于实际应用的方案来提高PLA的抗熔滴能力，从而提高其阻燃性。
[0004]研宄发现，天然植物纤维在燃烧过程中具有以下特点:①增大聚合物熔体粘度；②对聚合物熔体具有拖曳作用，阻碍熔体向下滴落，起到抑制熔滴的作用。研宄表明聚合物/天然纤维复合材料燃烧过程中不存在熔滴现象，具有类似木质纤维素的燃烧特点(Polymer Internat1nal 2010，59:242-248 ;Journal of Thermoplastic CompositeMaterials, 2010，23:871-893)。此外，从组成结构来看，天然植物纤维中含有大量羟基和六元环，燃烧过程中能够产生较多残炭，因此可以用作绿色环保型碳源(PolymerEngineering And Science 2012,52:2620-2626)。
[0005]本发明利用无卤阻燃剂IFR作主阻燃剂，可再生及生物降解的苎麻纤维作碳源和抗熔滴剂制备阻燃PLA材料。低含量的IFR和苎麻纤维即可使该阻燃PLA材料的极限氧指数达到32vol%，垂直燃烧等级达到V-O级，并且赋予其良好的抗熔滴能力。本发明提供的方法制备过程简单，通过传统的高分子加工方法即可实现，工艺易于掌握，绿色环保，生产成本低，容易实现大批量生产。从现有阻燃PLA的专利来看，利用传统IFR制备阻燃PLA的专利较少，利用低含量的传统IFR阻燃PLA的专利更是不多见；此外，目前尚无利用传统 IFR复配少量苎麻纤维制备阻燃PLA的专利。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种阻燃聚乳酸材料的制备方法。并使其具有制备过程简单，工艺易于掌握，阻燃剂成本低，实用性强，容易实现大批量生产等优点，可抑制PLA材料垂直燃烧过程中的熔滴现象，使其通过UL-94V-0级，从而实现低含量IFR阻燃PLA的目的。
[0007]本发明用于实现上述目的的技术方案如下:
[0008]一种阻燃聚乳酸材料的制备方法，主要原料按以下重量百分比构成:聚乳酸PLA80%，膨胀型阻燃剂IFR 12%?18%，苎麻纤维8%?2%，其制备方法包括以下步骤:
[0009](I)原料干燥:将PLA、IFR、苎麻纤维在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预混物制备:将步骤(I)中干燥的PLA和IFR通过高速混合机混合均匀得到PLA/IFR预混物；
[0011](3)PLA/IFR/苎麻纤维混合粒料制备:步骤⑵所得PLA/IFR预混物与(I)处理后的苎麻纤维经双螺杆挤出机熔融共混，挤出物料经水槽冷却后通过切粒机造粒；挤出机加料段、压缩段和计量段温度分别设定为150?160°C，175?185°C，170?180°C ;主机螺杆转速为100?150rpm ;加料速度为6?8rpm ；
[0012](4)粒料干燥:将步骤(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:将步骤(4)所得干燥粒料进行注塑成型，注塑机料筒温度为185?1950C ;喷嘴温度为180?190°C ;模具温度为20?30°C ;保压压力为30?40MPa。
[0014]在上述步骤⑴中，优选地，所述PLA的相对分子质量为1.3X 105g/mol，恪体流动指数为 3 ?5g/10min (190°C, 2.16kg)；
[0015]优选地，所述苎麻纤维为精梳苎麻纤维，其平均直径为11.6 μ m ;
[0016]优选地，所述IFR由II型聚磷酸铵和三聚氰胺按重量比4:1组成，其中II型聚磷酸铵的聚合度彡1000，细度彡800目。
[0017]本发明提出一种阻燃聚乳酸材料制备方法相比于现有的其他方法，如交联PLA、添加纳米填料、开发新阻燃剂等，具有效果好、成本低、易分散、便于实际应用等优势。
[0018]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
[0019](I)通过本发明制备的阻燃PLA材料，其添加剂只包括已工业化的IFR和少量苎麻纤维，与常规的IFR阻燃PLA体系相比，具有IFR添加量少，成本低的优势，这对阻燃聚乳酸材料的工业化生产十分重要。
[0020](2)通过本发明制备的阻燃PLA材料，不需要其他特殊加工设备。机械预混可在高速混合机中完成，挤出造粒使用普通双螺杆挤出机即可；注塑设备、工艺与纯PLA的相同，没有其他特殊后处理过程。整个操作过程简单易行，符合一般生产习惯。因此具有实用性强，适用性广的优点。
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例4极限氧指数(32vol% )与垂直燃烧测试后的试样；
[0022]图2为本发明实施例4苎麻在PLA基体中分布和长度扫描电子显微镜图片；
[0023]图3为本发明实施例4燃烧后残炭内部结构的扫描电子显微镜图片；
[0024]图4为本发明实施例4燃烧后的残炭外表面扫描电子显微镜图片；
[0025]图5为实施例1-7和比较例1-3的配方；
[0026]图6为实施例1-7及比较例1-3的极限氧指数(LOI)、燃烧至夹具情况，熔滴程度，引燃脱脂棉情况和垂直燃烧法分级结果列表。
【具体实施方式】
[0027]下面给出的实例是对本发明的具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述
【发明内容】
对本发明做出的非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
[0028]另外，需要指出的是，以下实施例中的物料均为质量份。
[0029]实施例1?7
[0030](I)原料干燥:将PLA、IFR、苎麻在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机械预混物制备:利用高速混合机将一定比例的PLA和