本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种协同阻燃聚乳酸纳米复合材料及其制备方法。
背景技术：
聚乳酸(pla)是一种具有优良的生物相容性和可生物降解性的聚合物，其来源于可再生资源农作物(如玉米)，最突出的优点是生物可降解性，其使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，对保护环境有利。聚乳酸有良好的机械性能及物理性能，适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便。聚乳酸在有诸多优良性质的同时也存在一些缺点，如易于燃烧，其使用范围受到限制，因此需要通过改性方法赋予聚乳酸阻燃性能。
加型阻燃剂与高分子材料共混是材料阻燃改性能的常用方法。含卤阻燃剂具有较高的阻燃性能，常用于热塑性高分子材料的阻燃改性。然而卤素阻燃剂的添加量高，对力学性能影响较大。石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一类碳质新材料，具有高强度、高导电率和高比表面积等特性。近期研究表明成纳米级分散在聚合物基体中的石墨烯能有效提高纳米复合材料的力学性能、电学性能、热稳定性和阻隔性能等。聚合物/石墨烯纳米复合材料的阻燃性能引起了国内外学者广泛关注。阻燃剂和石墨烯的协同效应提高了对聚合物的阻燃效果，降低了阻燃剂的添加量，为提高阻燃效率提供了一种新的途径。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种协同阻燃聚乳酸纳米复合材料及其制备方法，降低阻燃剂用量，提高阻燃效率，改善力学性能。该方法简单经济，原料丰富易得，易于工业化生产。
本发明提供了一种协同阻燃聚乳酸纳米复合材料及其制备方法，由包括以下重量份组分的原料制成：
优选的，所述聚乳酸为聚l乳酸、聚d乳酸或它们的共混物，重均分子量为1～20万。
优选的，所述溴系阻燃剂为溴化环氧树脂、十溴二苯乙烷、溴化聚苯乙烯等。
优选的，所述的阻燃协效剂为环保级三氧化二锑。
优选的，所述的石墨烯为氧化石墨烯，石墨烯或石墨烯微片。
优选的，所述的增韧剂主要为聚丁二酸丁二醇酯(pbs)、聚己内酯(pcl)、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯(pbat)。
优选的，所述其他助剂主要为抗氧剂，抗氧剂主要为受阻酚或硫酯类抗氧剂。
上述协同阻燃聚乳酸纳米复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)按配比称量各原料；
(2)将聚乳酸粒子在60-200℃范围内，恒温或逐步升温结晶1-20小时，得到结晶度大于60％的聚乳酸粒子；
(3)将溴系阻燃剂、阻燃协效剂、增韧剂、石墨烯在80℃烘箱中干燥6-12h。
(4)将称好的步骤(2)和(3)中得到烘干后的物质先放入高速混合器中进行干混3-5min。
(5)将步骤(4)中获得的混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区140～150℃，二区150～160℃，三区160～170℃，四区160～170℃，五区160～170℃，六区160～170℃，七区165～175℃，机头温度160～170℃，压力12～18mpa，物料在挤出机中停留1～2min
本发明的有益效果是：(1)溴系阻燃剂热稳定性高，阻燃效率高，阻燃剂不易迁移，适用于对各种性能要求严格的家电、电子及汽车等行业(2)引入石墨烯与溴系阻燃剂进行复配阻燃改性聚乳酸树脂，可以在提高材料阻燃性能的同时能使材料获得优异的力学性能。只要加入少量的石墨烯就能够达到纳米尺度的分散，明显降低聚合物燃烧时的热释放速率峰值，减少溴系阻燃剂在聚乳酸中的使用量；(3)原料广泛易得，加工简单快捷，适用于大规模工业化生产。
具体实施方式
本发明可通过下面优选方案获得进一步的阐述，但这些实施例仅在于举例说明,不对本发明的范围做出界定。
本发明以下实施例使用的各种原材料，不做特殊说明均为市售产品。
在实施例和对比例的复合材料配方中，聚乳酸为聚l乳酸，重均分子量10万～30万；溴系阻燃剂为十溴二苯乙烷(美国雅宝公司)；阻燃协效剂为三氧化二锑；增韧剂为聚己二酸对苯二甲酸丁二酯(pbat)，牌号为c1200，石墨烯为自制的氧化石墨烯，其他助剂使用的是抗氧剂1010。
实施例1
在本发明的一个实施例中，该种协同阻燃聚乳酸纳米复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：
(1)将聚乳酸粒子在60-200℃范围内，恒温或逐步升温结晶1-20小时，得到结晶度大于60％的聚乳酸粒子；
(2)将溴系阻燃剂、阻燃协效剂、增韧剂、石墨烯在80℃烘箱中干燥6-12h。
(3)将称好的步骤(1)和(2)中得到烘干后的物质先放入高速混合器中进行干混3-5min。
(4)将步骤(3)中获得的混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区140～150℃，二区150～160℃，三区160～170℃，四区160～170℃，五区160～170℃，六区160～170℃，七区165～175℃，机头温度160～170℃，压力12～18mpa，物料在挤出机中停留1～2min
得到的协同阻燃聚乳酸纳米复合材料物料性能见表1.
实施例2
在本发明的一个实施例中，该种协同阻燃聚乳酸纳米复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：
(1)将聚乳酸粒子在60-200℃范围内，恒温或逐步升温结晶1-20小时，得到结晶度大于60％的聚乳酸粒子；
(2)将溴系阻燃剂、阻燃协效剂、增韧剂、石墨烯在80℃烘箱中干燥6-12h。
(3)将称好的步骤(1)和(2)中得到烘干后的物质先放入高速混合器中进行干混3-5min。
(4)将步骤(3)中获得的混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区140～150℃，二区150～160℃，三区160～170℃，四区160～170℃，五区160～170℃，六区160～170℃，七区165～175℃，机头温度160～170℃，压力12～18mpa，物料在挤出机中停留1～2min
得到的协同阻燃聚乳酸纳米复合材料物料性能见表1.
实施例3
在本发明的一个实施例中，该种协同阻燃聚乳酸纳米复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：
(1)将聚乳酸粒子在60-200℃范围内，恒温或逐步升温结晶1-20小时，得到结晶度大于60％的聚乳酸粒子；
(2)将溴系阻燃剂、阻燃协效剂、增韧剂、石墨烯在80℃烘箱中干燥6-12h。
(3)将称好的步骤(1)和(2)中得到烘干后的物质先放入高速混合器中进行干混3-5min。
(4)将步骤(3)中获得的混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区140～150℃，二区150～160℃，三区160～170℃，四区160～170℃，五区160～170℃，六区160～170℃，七区165～175℃，机头温度160～170℃，压力12～18mpa，物料在挤出机中停留1～2min
得到的协同阻燃聚乳酸纳米复合材料物料性能见表1.
实施例4
在本发明的一个实施例中，该种协同阻燃聚乳酸纳米复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：
(1)将聚乳酸粒子在60-200℃范围内，恒温或逐步升温结晶1-20小时，得到结晶度大于60％的聚乳酸粒子；
(2)将溴系阻燃剂、阻燃协效剂、增韧剂、石墨烯在80℃烘箱中干燥6-12h。
(3)将称好的步骤(1)和(2)中得到烘干后的物质先放入高速混合器中进行干混3-5min。
(4)将步骤(3)中获得的混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区140～150℃，二区150～160℃，三区160～170℃，四区160～170℃，五区160～170℃，六区160～170℃，七区165～175℃，机头温度160～170℃，压力12～18mpa，物料在挤出机中停留1～2min
得到的协同阻燃聚乳酸纳米复合材料物料性能见表1.
实施例5
在本发明的一个实施例中，该种协同阻燃聚乳酸纳米复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：
(1)将聚乳酸粒子在60-200℃范围内，恒温或逐步升温结晶1-20小时，得到结晶度大于60％的聚乳酸粒子；
(2)将溴系阻燃剂、阻燃协效剂、增韧剂在80℃烘箱中干燥6-12h。
(3)将称好的步骤(1)和(2)中得到烘干后的物质先放入高速混合器中进行干混3-5min。
(4)将步骤(3)中获得的混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区140～150℃，二区150～160℃，三区160～170℃，四区160～170℃，五区160～170℃，六区160～170℃，七区165～175℃，机头温度160～170℃，压力12～18mpa，物料在挤出机中停留1～2min
得到的协同阻燃聚乳酸纳米复合材料物料性能见表1.
比较例1
在本发明的一个比较例中，由如下按照重量百分比的原料组成：
聚乳酸94.9wt％
增韧剂5wt％
其他助剂0.1wt％
作为本发明的优选方案，聚乳酸为聚l乳酸，重均分子量10万～30万；增韧剂为聚己二酸对苯二甲酸丁二酯(pbat)，牌号为c1200。
(1)将聚乳酸粒子在60-200℃范围内，恒温或逐步升温结晶1-20小时，得到结晶度大于60％的聚乳酸粒子；
(2)将增韧剂在80℃烘箱中干燥6-12h。
(3)将步骤(1)和(2)中获得的混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区140～150℃，二区150～160℃，三区160～170℃，四区160～170℃，五区160～170℃，六区160～170℃，七区165～175℃，机头温度160～170℃，压力12～18mpa，物料在挤出机中停留1～2min
得到的聚乳酸材料物料性能见表1.
比较例2
在本发明的一个比较例中，该种协同阻燃聚乳酸纳米复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：
作为本发明的优选方案，聚乳酸为聚l乳酸，重均分子量10万～30万；溴系阻燃剂为十溴二苯乙烷(美国雅宝公司)；阻燃协效剂为三氧化二锑；增韧剂为聚己二酸对苯二甲酸丁二酯(pbat)，牌号为c1200。
(1)将聚乳酸粒子在60-200℃范围内，恒温或逐步升温结晶1-20小时，得到结晶度大于60％的聚乳酸粒子；
(2)将溴系阻燃剂、阻燃协效剂、增韧剂在80℃烘箱中干燥6-12h。
(3)将称好的步骤(1)和(2)中得到烘干后的物质先放入高速混合器中进行干混3-5min。
(4)将步骤(3)中获得的混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区140～150℃，二区150～160℃，三区160～170℃，四区160～170℃，五区160～170℃，六区160～170℃，七区165～175℃，机头温度160～170℃，压力12～18mpa，物料在挤出机中停留1～2min
得到的协同阻燃聚乳酸纳米复合材料物料性能见表1.
表1协同阻燃聚乳酸纳米复合材料物理性能：
以上实施例中，随着溴系阻燃剂添加量的增加，复合体系的拉伸强度和冲击强度降低。溴系阻燃和石墨烯复配使用时，力学性能增加，同时随着石墨烯含量的增加，阻燃性能大幅度提高。值得一提的是实施例3，不仅获得了良好的拉伸强度和冲击强度，还具备了良好的阻燃性能。本发明获得了力学性能较好的阻燃聚乳酸材料。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。