竹炭对聚乳酸/聚己内酯复合薄膜阻燃性能的增强机制研究

作     者：周泽男 

作者单位：浙江农林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张文标;黄景达

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：聚乳酸 聚己内酯 竹炭 复合薄膜 阻燃改性 

摘      要：随着绿色低碳理念的推行,绿色环保的有机聚合物聚乳酸（PLA）作为缓解传统塑料“白色污染的潜在替代物之一逐渐受到重视。但PLA存在韧性差和易燃烧等缺陷,限制了其应用领域。针对以上问题,本研究选用同样可降解的聚己内酯（PCL）与PLA共混,加入竹炭（BC）作为改善PLA/PCL相形态的增强填料制备PLA/PCL基复合薄膜,研究BC改性方法对PLA/PCL薄膜的热稳定性、阻燃性能和机械性能的影响,以获得性能优异、用途广泛的炭塑复合薄膜。主要研究结果如下: （1）PLA/PCL/BC薄膜的制备与性能研究。将不同比例的BC加入PLA/PCL的二氯甲烷溶液中,通过溶剂浇铸法制备得到PLA/PCL/BC薄膜,测试结果表明,与PLA薄膜相比,PLA/PCL/BC薄膜的韧性显著增强,其断裂伸长率提升至223.33%,拉伸强度仍有17.63 MPa。同时,复合薄膜的阻燃性能也在一定程度上得到提高,当BC的添加量为20 wt%时,PLA/PCL/BC薄膜的LOI值达到25.8 vol%。 （2）阻燃型BC-NPA的制备及其改性PLA/PCL薄膜的研究。对BC进行化学接枝改性和离子络合获得氮磷协效阻燃型BC（BC-NPA）,在薄膜燃烧时有助于构建炭层隔绝火焰,同时释放不燃气体稀释氧气浓度,达成气相和固相双重阻燃。加入5 wt%的BC-NPA后,PLA/PCL/BC-NPA薄膜的LOI值即可达到30.5 vol%,在MCC测试中的HR为345 J/g·K,PHRR为231.53 W/g,较PLA薄膜分别降低了51.0%和13.7%。 （3）MXene协效BC-NPA对PLA/PCL薄膜阻燃性能的增强机制研究。引入MXene以构建MXene/BC-NPA协效阻燃体系,并将其与PLA/PCL共混制备薄膜。研究发现,PLA/PCL/BC-NPA/MXene薄膜的力学性能得到综合性加强,其拉伸强度提升至17.47 MPa,断裂伸长率提升至240.75%。同时薄膜的阻燃性能进一步提升,MXene能够在燃烧时产生Ti O2阻隔层,其表面官能团也能抑制燃烧过程中的链式反应。加入2.5 wt%的MXene后,复合薄膜的LOI值达到32.9 vol%,HR为301.90J/g·K,PHRR为206.04 W/g。 本研究为阻燃型炭塑复合薄膜的制备提供了科学指导,对推动聚合物阻燃技术的绿色发展具有积极意义,也有利于竹材的高质化利用和竹产业的高质量发展。