生物基核-壳结构阻燃剂构建及其对聚乳酸燃烧、降解和增韧的影响机制

With the increasing of energy shortage and environmental pollution, the developments of both flame retardants and flame retardant materials turn in the direction of green and sustainable. This proposal aims at realizing the synergy of flame retardant, toughening and degradable in high performance polylactic acid (PLA) materials by the combination of bio-based materials and fire resistance science. Firstly, three different flame retardants with core-shell structure derived from chitosan will be designed and synthesized. All reactants involved in the synthesis of flame retardants are selected from natural bio-based materials. Electrostatic adsorption is the main reacting way during the synthetic process, which makes the whole process safe and environment-friendly, conforming the trend and requirement of green chemistry. Secondly, a fully bio-based flame retardant PLA composites and fibers will be prepared by incorporating the synthesized flame retardants with PLA matrix via melt blending and spinning. Lastly, the flammability, thermal stability and mechanical properties of the composites will be investigated by a variety of characterization methods. The influences of flame retardants structure, dispersion state and interfacial interactions on the flame retardant and toughening properties of the composites will be systematically studied. The degradation mechanisms of the composites under different conditions such as microorganism, light, heat and oxygen will also be discussed. It is suggested that this proposal is an innovative effort in fire safety material fields, which can provide great theoretical and practical significance to the protection of environment and the improvement of flame retardant technology.

随着能源短缺和环境污染问题的日益加剧，阻燃剂和阻燃材料的研究开始向绿色、可持续的方向发展；本项目将生物基材料与阻燃科学相结合，对高性能阻燃聚乳酸材料展开研究，旨在实现阻燃、增韧与可降解的协同。首先，以天然来源的生物基化合物为反应物，通过静电吸附等方式，围绕壳聚糖设计并合成三种不同类型的核-壳结构阻燃剂，合成过程安全环保，符合绿色化学的发展趋势和要求；其次，通过熔融共混将合成的阻燃剂引入聚乳酸基体并进行纺丝，制备全生物基阻燃、增韧聚乳酸复合材料及纤维；最后，通过多种表征手段综合评价材料的各项性能，系统研究阻燃剂的结构、分散状态、与基体的界面作用以及加工工艺等因素对材料阻燃和增韧过程的影响和作用机制，并对复合材料在微生物、光、热、氧等不同条件下的降解规律和机理进行探讨。本项目是火安全材料领域的创新性探索，对于保护环境、提高阻燃技术水平具有重要的理论价值和现实指导意义。

石化工业的快速发展在不断消耗不可再生资源的同时，也对环境造成了严重的污染，以生物质原料等可再生资源代替石油和煤的新型化学工业应运而生。在聚合物领域，以聚乳酸(PLA)为代表的生物基高分子材料有望逐渐替代现有的石化基高分子材料。但聚乳酸自身易燃的特性使其在使用过程中存在火安全隐患。添加阻燃剂可以改善高分子材料的阻燃性，然而目前所用的多数阻燃剂在生产过程中也难以摆脱对化石能源的依赖；此外，阻燃剂的添加往往会破坏聚合物的力学性能。壳聚糖（CS）为一种具有多羟基结构的天然氨基多糖物质，常在膨胀阻燃体系中作为成炭剂使用，并且通过对其进行多种改性可将其与不同阻燃剂发挥协同作用。.本项目将生物基材料与阻燃科学相结合，对高性能阻燃聚乳酸材料展开研究，旨在实现阻燃、力学与可降解的协同。首先围绕壳聚糖，设计并构建了三种不同结构的核-壳型阻燃剂：植酸包覆壳聚糖微球阻燃剂（PA@CHTM）、植酸/干酪素包覆壳聚糖微球阻燃剂（CS/PA@CHTM）和植酸包覆单宁酸接枝壳聚糖化合物阻燃剂（PA@TA-CS），并对其结构进行了充分的表征。其次，将阻燃剂通过熔融共混的方式与聚乳酸复合，制备具有综合性能优异的聚乳酸阻燃复合材料，垂直燃烧测试通过 UL-94 V-0 等级，氧指数最高可达29.6%，力学性能得到提高；第三，针对聚乳酸这类生物可降解材料，通过扫描电镜、原子力显微镜、凝胶渗透色谱仪等对其降解能力进行了重点研究，发现上述三种阻燃剂的加入都能够加快PLA的降解速度。土埋90天后，PLA表面的平均粗糙度为127 nm，而PLA/3%PA@TA-CS的平均粗糙度值显著增加至371 nm；Mw与Mn分别降低30%和24%。最后，对壳聚糖类阻燃剂的阻燃和降解机理进行了系统研究，提出了相应的构效关系及原理模型。核-壳结构的阻燃剂具备完整的膨胀体系三源，能够同时在气相和固相发挥阻燃作用。降解能力的提高，主要归结于多羟基阻燃剂的引入提高了PLA复合材料的吸水性，加速了PLA的水解。本项目的成果对于生物基阻燃材料的发展具有一定的指导意义。