机械力改性芦苇纤维及其对聚乳酸复合材料的阻燃性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.11.006

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (11): 38-43.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.11.006

机械力改性芦苇纤维及其对聚乳酸复合材料的阻燃性能研究

文泽伟¹, 刘福亚¹, 崔晓杰¹, 张葛¹, 孟伟华²(), 谢吉星¹(), 徐建中¹()

^1.河北大学化学与环境科学学院，河北保定 071002
^2.河北大学质量技术监督学院，河北保定 071002

收稿日期:2021-04-30 出版日期:2021-11-26 发布日期:2021-11-23
基金资助:
水体污染控制与治理科技重大专项(2018ZX07110004)

Mechanical Modification of Polylactic Acid with Reed Fibers for Flame⁃retardant Application

WEN Zewei¹, LIU Fuya¹, CUI Xiaojie¹, ZHANG Ge¹, MENG Weihua²(), XIE Jixing¹(), XU Jianzhong¹()

^1.College of Chemistry and Environment Science，Hebei University，Baoding 071002，China
^2.College of Quality and Technical Supervision，Hebei University，Baoding 071002，China

Received:2021-04-30 Online:2021-11-26 Published:2021-11-23
Contact: MENG Weihua,XIE Jixing,XU Jianzhong E-mail:mengweihua121@163.com;xjx0629@163.com;mengweihua121@163.com;xujz@hbu.edu.cn;mengweihua121@163.com

摘要/Abstract

摘要：

采用机械力化学法对芦苇纤维（RF）进行磷酰化改性，并将改性后的磷酰化芦苇纤维（MPRF）与聚乳酸（PLA）共混制备复合材料，研究了MPRF对复合材料热稳定性、阻燃性、燃烧性能以及力学性能的影响。结果表明，磷元素成功接枝到芦苇纤维表面，800 ℃时的残余质量增加；随着MPRF添加量的提高，PLA复合材料的阻燃性能随着MPRF的加入而逐渐增加，当MPRF添加量为40 %（质量分数，下同）时，其弯曲强度和拉伸强度可达266.9 MPa和44.7 MPa，极限氧指数为24.6 %；最大热释放峰值下降到366.9 kW/m²，与PLA相比下降了39.3 %，有效降低复合材料的火灾危险性。

关键词: 聚乳酸, 芦苇纤维, 机械力, 阻燃, 复合材料

Abstract:

The phosphorylation modification for reed fiber （RF） was conducted through mechanical force chemistry， and the modified reed fiber （PRF） was blended with poly（lactic acid）（PLA） to prepare a series of PLA/PRF composites. The effects of PRF on the thermal stability， flame retardancy， combustion properties， and mechanical properties of the composites were investigated. Infrared spectroscopy and thermogravimetric analysis results indicated that phosphorus was successfully grafted onto RF， resulting in an increase in residual char. The flame?retardant properties of the compo?sites were improved gradually with an increase in PRF content. When 40 wt % of PRF was added， the composite showed flexural strength of 266.9 MPa and tensile strength of 44.7 MPa， and an ultimate oxygen index of 24.6 %. Its maximum heat release peak decreased to 366.9 kW/m² by 39.3% compared to pure PLA.

Key words: poly（lactic acid）, reed fiber, mechanical strength, flame retardant, composite

中图分类号:

TQ 321

文泽伟, 刘福亚, 崔晓杰, 张葛, 孟伟华, 谢吉星, 徐建中. 机械力改性芦苇纤维及其对聚乳酸复合材料的阻燃性能研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(11): 38-43.

WEN Zewei, LIU Fuya, CUI Xiaojie, ZHANG Ge, MENG Weihua, XIE Jixing, XU Jianzhong. Mechanical Modification of Polylactic Acid with Reed Fibers for Flame⁃retardant Application[J]. China Plastics, 2021, 35(11): 38-43.

图/表 10

图1 磷酰化芦苇制备过程

Fig.1 Preparation process of phosphorylated reed

样品编号	PLA/%	RF/%	MPRF/%
PLA₈₀/RF₂₀	80	20	-
PLA₇₅/RF₂₅	75	25	-
PLA₇₀/RF₃₀	70	30	-
PLA₆₅/RF₃₅	65	35	-
PLA₆₀/RF₄₀	60	40	-
PLA₈₀/MPRF₂₀	80	-	20
PLA₇₅/MPRF₂₅	75	-	25
PLA₇₀/MPRF₃₀	70	-	30
PLA₆₅/MPRF₃₅	65	-	35
PLA₆₀/MPRF₄₀	60	-	40

表1 复合材料样品配方比例和氧指数及水平燃烧等级

Tab.1 Formulation， oxygen index and horizontal combustion grade of the composites

样品编号	芦苇∶P₂O₅∶尿素	相对P 含量/%	T_5%/℃	残余质量/%
1	1∶0∶0	0	255.0	22.00
2	1∶1∶1	59.4	216.0	32.29
3	1∶2∶1	67.8	196.0	36.60
4	1∶3∶1	43.1	212.3	33.01
5	1∶1∶2	64.9	212.6	34.21
6	1∶2∶2	62.6	218.2	31.16
7	1∶3∶2	68.4	196.2	37.61
8	1∶1∶3	55.7	219.3	31.82
9	1∶2∶3	54.1	219.8	32.64
10	1∶3∶3	53.3	215.0	30.48

表2 不同原料比例球磨接枝的芦苇热稳定性数据

Tab.2 Thermal stability data of reed grafted by ball milling with different proportion of raw materials

图2 芦苇磷酰化前后的FTIR谱图

Fig.2 Infrared spectrum of reed before and after phosphorylation

图3 芦苇磷酰化改性前后的SEM照片和Mapping图

Fig.3 SEM and Mapping maps of reed before and after phosphorylation

图4 PLA和磷酰化前后复合材料的TG和DTG曲线

Fig.4 TG and DTG curves of PLA and phosphorylated composites

样品	LOI/%	水平燃烧
PLA₈₀/RF₂₀	18.8	FH?3≤31 mm/min
PLA₇₅/RF₂₅	19.0	FH?3≤31 mm/min
PLA₇₀/RF₃₀	19.2	FH?3≤31 mm/min
PLA₆₅/RF₃₅	19.3	FH?3≤31 mm/min
PLA₆₀/RF₄₀	19.6	FH?3≤31 mm/min
PLA₈₀/MPRF₂₀	21.8	FH?2≤22 mm/min
PLA₇₅/MPRF₂₅	22.2	FH?2?44 mm
PLA₇₀/MPRF₃₀	23.5	FH?2?26 mm
PLA₆₅/MPRF₃₅	23.9	FH?1
PLA₆₀/MPRF₄₀	24.6	FH?1

表3 复合材料的氧指数和水平燃烧等级

Tab.3 Oxygen index and horizontal combustion grade of composites

图5 PLA及PLA/RF、PLA/MPRF复合材料的HRR曲线、THR曲线

Fig.5 HRR and THR curves of PLA， PLA60/RF40 and PLA60/MPRF40 composites

图6 锥量测试后样品残炭的FTIR谱图

Fig.6 Infrared spectrum of carbon residue after coning test

PLA含量/%	MPRF含量/%	弯曲强度/MPa	拉伸强度/MPa
100	0	334.6	71.9
80	20	285.3	54.4
75	25	282.7	51.4
70	30	279.3	48.1
65	35	273.7	46.3
60	40	266.9	44.7

表4 复合材料的力学性能

Tab.4 Mechanical properties of composites

参考文献 12

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Mechanical Modification of Polylactic Acid with Reed Fibers for Flame⁃retardant Application

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