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聚乳酸(PLA)是一种具有优异的机械性能、生物相容性和良好的加工性能的生物基可降解塑料,广泛应用于生物、食品包装和3D打印等领域。然而,PLA极易燃烧,它的极限氧指数(LOI)仅为19%,燃烧中伴随严重的熔滴产生,限制了其在电子、电缆及汽车等领域的应用。添加膨胀型阻燃剂(IFR)是提高PLA阻燃性能制备无卤阻燃PLA简便有效的方法,但IFR阻燃效率低,添加量高,不仅影响了 PLA的其它性能,而且会大大增加阻燃产品的成本。基于此,本文以介孔硅分子筛SBA-15为协效剂协同IFR阻燃PLA,以提高体系的阻燃性能,并抑制烟气的释放。具体研究结果如下:首先,研究了 1 wt%的SBA-15与不同添加量的IFR在PLA中的协同阻燃效果,发现当IFR添加量为15 wt%时,PLA/15IFR/1SBA-15具有最优异的阻燃性能。相对于单独添加16 wt%IFR的PLA/16IFR,其LOI从26.0%提高到31.0%,并通过UL-94的V-0级,热释放速率峰值(PHRR)和总热释放量(THR)也分别从148.3 kW/m2和45.2 MJ/m2下降到127.2 kW/m2和41.3 MJ/m2,体现出优良的阻燃性能。此外,SBA-15在PLA/IFR体系中具有显著的抑烟作用,添加SBA-15后PLA/IFR体系烟气释放速率峰值(PSPR)、总烟释放量(TSR)、单位质量二氧化碳释放量(Mean-CO2Y)和单位质量一氧化碳释放量(Mean-COY)均明显下降,分别下降了 54.5%、37.6%、8.9%和60.6%。探究其阻燃机理发现SBA-15的加入不仅作为催化剂促进了聚磷酸铵(APP)和季戊四醇(PER)之间酯化反应,加快更多膨胀炭的形成,还可以促进PLA基体在更低温度分解为小分子链段,参与早期炭层的形成,起到阻燃的作用。其次,通过硅烷偶联剂改性SBA-15以提高SBA-15在PLA/IFR体系中的分散性能,实现SBA-15与IFR在PLA中的高效协同阻燃作用。合成了 γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷和正辛基三乙氧基硅烷改性SBA-15,研究了不同硅烷偶联剂改性SBA-15协同IFR对PLA的阻燃性能的影响,发现γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷改性后的SBA-15(E-SBA-15)与IFR在PLA中的协同阻燃效果最好。与PLA/15IFR/1SBA-15相比,PLA/15IFR/1E-SBA-15 的 LOI 提高到 32.0%,PHRR 和 THR 下降到 127.1 kW/m2和37.1 MJ/m2,但由于改性后SBA-15孔道被堵塞,抑烟效果略有下降。相比于SBA-15,E-SBA-15在PLA/IFR体系中的分散良好,提高了 PLA/IFR残炭在高温下的稳定性,同时促使燃烧过程中硅元素向炭层表面迁移使炭层更致密。最后,为了进一步提高SBA-15协同IFR的阻燃性能,并且同时又不影响其抑制烟气释放的优势,采用后铝法制备铝改性分子筛Al-SBA-15,实现其高效协同IFR阻燃PLA,并起到抑制烟气释放的作用。研究Si/Al物质量比分别为1:1,3:1,5:1,10:1,20:1,30:1时对Al-SBA-15协同IFR阻燃PLA的性能影响,发现当Si/Al物质量比为5:1时,Al-SBA-15-5相比于SBA-15,与IFR协效阻燃PLA的效果更优异:此时,与PLA/15IF/1SBA-15 相比,PLA/15IFR/1Al-SBA-15-5 的 LOI 提高到 37.4%,PHRR 和 THR下降到75.6 kW/m2和6.9 MJ/m2,在燃烧过程中具有自熄灭效果,体系烟气释放也进一步下降,相对于PLA/IFR,其TSR、PSPR和Mean-CO2Y分别下降了70.6%、60.0%和31.4%。通过表征发现Al-SBA-15进一步促进了 IFR中的酯化反应,加快更多膨胀炭的形成,同时进一步促进含羰基的小分子(PLA小分子)参与炭层的形成。