[发明专利]一种碳纤/聚乳酸阻燃复合材料及其制备方法

说明书

一种碳纤/聚乳酸阻燃复合材料及其制备方法，涉及高分子材料阻燃技术领域，由以下重量份数的原料制成：聚乳酸65~80份、氧化碳纤维5~25份、聚磷酸铵5~20份、增韧剂5~25份、抗氧剂0.1~0.5份以及相容剂0.1~1份，所述增韧剂由聚醚醚酮和聚乙二醇组成，其中聚醚醚酮和聚乙二醇的质量比为1:1~10:1。本发明有益效果：本发明所制备的改性阻燃聚乳酸，具有优良的阻燃性能，其极限氧指数可达39.5％，通过UL‑94 V‑0测试，能够满足阻燃要求较高的领域，在阻燃可降解生物塑料等领域具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明属于高分子材料阻燃技术领域，具体涉及一种碳纤/聚乳酸阻燃复合材料及其制备方法。

背景技术

聚乳酸是一种可完全降解的可再生材料，来源丰富，如可利用农产品玉米淀粉提炼。聚乳酸具有优异的生物相容性、易加工性，在电子领域、生物医疗领域和塑料用品等诸多领域具有广阔的应用价值。然而，聚乳酸具有易燃性和较低的韧性，纯聚乳酸的极限氧指数和断裂伸长率分别为19.0%和2-10%，这些缺陷极大地限制了聚乳酸的应用前景。因此，聚乳酸的阻燃和增韧研究是对其广泛应用的前提。

聚合物的阻燃一般通过添加阻燃剂获得。最常用的阻燃剂可分为三大类，分别是含卤阻燃剂（尤其是含溴阻燃剂）、金属氢氧化物和膨胀型阻燃剂。目前，卤素阻燃剂由于分解生成的卤化氢气体HX具有毒性，而被市场渐渐淘汰。聚磷酸铵是一种常见的膨胀型阻燃剂，它在受热时可分解生成聚/多磷酸，这种生成物是一种强脱水剂，可以让有机物脱水碳化，另外，聚磷酸铵受热膨胀，聚磷酸会覆盖有机物表面，起到让可燃烧物隔绝空气而阻燃的目的；此外，聚磷酸铵受热分解产生的氮气等气体稀释空气中氧气的浓度，阻断了氧气的供应而达到阻燃效果，由于聚磷酸铵的多种阻燃机理，因此，聚磷酸铵是一种行之有效的阻燃剂。然而，向聚合物中添加大量无机物聚磷酸铵会降低聚合物的力学性能，因此，在制备阻燃材料时，需要考虑聚磷酸铵对阻燃性能和力学性能等其他性能的综合影响。碳纤是一种高强度的碳材料，具有很大的比表面积。将碳纤引入聚合物中可以使聚合物的力学性能有大幅度的提高。

目前，研究较多的是膨胀型阻燃剂，如冯才敏等（申请号：202010111174 .0）通过添加膨胀型阻燃剂包括多聚磷酸铵制备了聚乳酸阻燃复合材料。向代成（申请号：202010427568 .7）向聚乳酸中添加改性碳纳米管，碳纳米管会提高材料的成炭率，形成致密的碳层，阻碍氧气和热量的传导，增强了材料的阻燃性能。尚未见添加碳纤、聚磷酸铵协同阻燃聚乳酸的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纤/聚乳酸阻燃复合材料及其制备方法，解决上述聚乳酸存在的易燃和加入大量无机阻燃剂导致的韧性低、强度低等问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种碳纤/聚乳酸阻燃复合材料，由以下重量份数的原料制成：聚乳酸65~80份、氧化碳纤维5~25份、聚磷酸铵5~20份、增韧剂5~25份、抗氧剂0.1~0.5份以及相容剂0.1~1份，所述增韧剂由聚醚醚酮和聚乙二醇组成，其中聚醚醚酮和聚乙二醇的质量比为（1-10）:1。

本发明向聚乳酸中引入了聚磷酸铵和碳纤，发现碳纤不仅可以使得聚乳酸强度增大，也可以使聚磷酸铵分散更均匀，此外，还可以诱导聚乳酸成碳，提高聚乳酸的成碳率，众多的短切碳纤把聚乳酸分割成一个个封闭的“单元”。另一方面，分散在碳纤附近的聚磷酸铵受热体积膨胀后把封闭的碳纤/聚乳酸“单元”包覆在聚磷酸包覆层内，阻碍了聚乳酸与氧气的接触。从而达到了聚磷酸铵和碳纤的协同阻燃效果。其协同阻燃机理为聚磷酸铵的分解膨胀层和碳纤将聚乳酸分割为独立单元，使聚乳酸与氧气隔绝，从而达到高效阻燃的效果，其协同阻燃机理示意图如图1所示。

本发明所述抗氧剂为四[甲基-β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯，本发明的增韧剂为聚醚醚酮和聚乙二醇组成。

本发明所述相容剂为聚乙烯醇。

一种碳纤/聚乳酸阻燃复合材料的制备方法，包括以下步骤：