无卤阻燃聚乳酸的制备及性能测试

产品设计报告题目：无卤阻燃聚乳酸的制备及性能测试学院：专业：学号：姓名：指导老师：完成日期：《无卤阻燃聚乳酸的制备及性能测试》任务书一、产品设计的性质、任务与目的1.产品设计的性质本课程是高分子材料与工程专业的一门实用性很强的专业课程。

学生在学完高分子化学、材料添加剂化学及高分子材料成型加工课程后，综合运用所学相关知识，进行初步的产品设计。

2.设计任务：①撰写简要设计说明书；②绘制具体反应工艺流程图；③说明助剂选择原因，助剂结构及基本物性，工艺具体参数及数据来源，产物各方面性能测试表征，具体评判依据。

3.设计的目的①学习聚合物熔融共混工艺，了解螺杆挤出机基本操作，掌握测试塑料阻燃性能的基本操作，掌握测定热塑性聚合物熔体流动速度的方法；②掌握检索文献的方法；③通过阅读文献，了解并掌握无卤阻燃聚乳酸的制备及性能测试，并能完成无卤阻燃聚乳酸的制备与性能测试报告；④通过产品设计使学生掌握应具备的基本高分子材料产品设计技能。

二、产品设计的主要内容1、完成原料、加工工艺等的选择和优化；2、说明助剂选择原因，助剂结构及基本物性，具体投料比，生产工艺条件、产物各方面性能测试表征，具体评判依据；3、说明该材料具体可以制备什么产品，需附具体加工设备；4、画出具体反应工艺流程图。

目录一、绪论二、制备方法及设计优点三、助剂选择及工艺参数四、实验仪器与设备五、性能测试1、氧指数2、扫描电镜照片3、差热分析4、力学性能测试5、韧性测试6、热稳定性7、降解性8、红外光谱分析六、材料成型方法七、产品用途八、展望九、参考文献一、绪论聚乳酸(PLA)是由乳酸合成的无毒、可完全生物降解的聚合物，具有良好的生物相容性和可降解性,已被应用于生物医药方面，也被普遍认为是传统石油类原料的潜在替代品。

但是，PLA耐热性能差，容易燃烧，并伴有熔滴现象，玻璃化转变温度较高(约55~65℃)，在常温下呈现硬而脆的性质,从而严重限制了它的应用。

欲将PLA应用于电子电器、汽车、家电等产品的零部件及生物医药方面，必须对其进行阻燃改性和增韧处理。

二、制备方法及设计优点1、制备方法先将阻燃剂进行表面改性，再将改性后的阻燃剂、聚乳酸、其它助剂共混挤出得到产品。

具体步骤如下:(1)将聚乳酸、阻燃剂分别在30~120℃下真空干燥1~24小时，以除去水分; (2)将步骤(1)得到的处理后的阻燃剂与阻燃助剂、抗氧剂按照重量比在干燥的容器内进行搅拌，使其混合均匀，得到阻燃混合物;其各组分的重量百分比为: 阻燃剂 69~98.5wt% 阻燃助剂 0.5~30wt% 抗氧剂 1~10wt% 其总重量满足100%;(3)将步骤(1)得到的处理后的聚乳酸、步骤(2)得到的阻燃混合物、偶联剂、 增韧剂按重量比加入到干燥的容器内，混合均匀，然后熔融共混;采用双螺杆挤出机得到所需产品;其中各组成的重量百分比为: 聚乳酸 59.4~95wt% 阻燃混合物 2~20wt% 增韧剂 2~30wt% 其余为偶联剂，其总重量满足100%;采用的双螺杆挤出机，挤出机中熔融挤出、造粒,挤出机机筒各段温度依次为160、175、180、180、180、180、175℃，螺杆转速为60 r/min ，喂料速率为3 kg/h ，物料挤出后经冷却、切粒、干燥得到阻燃改性聚乳酸。

2、该设计的优点在于:(1)选用环境友好的无卤阻燃剂与聚乳酸进行复合，所得的制品完全满足环保的要求。

(2)选用无卤阻燃剂与聚乳酸进行复合，所得的制品具有良好的阻燃性能，制品满足UL 94 VO 或UL94 V1级标准，可应用于航空、汽车、电子等对阻燃性能要求苛刻的领域。

(3)制备方法简单有效、工艺条件温和，适用于工业化生产。

(4)可以根据产品的要求调节阻燃剂的用量、配方，控制生产成本;三、助剂选择及工艺参数 （1）聚乳酸重均分子量为55103~101⨯⨯，由乳酸合成的无毒、可完全生物降解的聚合物，具有良好的生物相容性和可降解性。

但是，PLA 耐热性能差，容易燃烧，并伴有熔滴现象，玻璃化转变温度较高(约55~65℃)，在常温下呈现硬而脆的性质。

（2）阻燃剂有机磷系阻燃剂9, 10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)具有抗氧化性、无烟、无毒和优良的耐水性,已用于聚酯及环氧树脂阻燃。

同时DO-PO 又是新型反应型阻燃剂中间体,能与苯醌反应合成衍生物10-(2, 5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO-HQ)。

DOPO-HQ 具有高效的阻燃性,无烟、无毒,由于磷-碳键存在,化学稳定性好，耐水，能永久阻燃且不迁移,在提高高分子材料的阻燃性、热稳定性和有机溶解性的同时，保持或部分改变高分子材料的力学性能。

DOPO-HQ可以通过共聚键入聚酯、聚醚、聚酰胺链中,提高聚合物阻燃性和热稳定性。

因DOPO-HQ与聚酯相容性良好，所以对阻燃体系物理力学性能的影响较小。

（3）阻燃助剂季戊四醇、三聚氰胺、淀粉、二氧化钦、硬脂酸钙、硬脂酸锌、碳酸钙、硼酸锌、氧化锑、沸石、二氧化硅、氢氧化镁、抗滴落剂或交联剂等中的一种或几种。

（4）偶联剂硅烷偶联剂KH550，分子中含有两种不同的活性基因——氨基和氧基，呈碱性。

外观为无色或微黄色透明液体，通用性强，可溶于有机溶剂，但丙酮、四氯化碳不适宜作稀释剂。

可溶于水，在水中水解，沸点217℃。

用来偶联有机高分子和无机填料，增强其粘结性，提高产品的机械、电气、耐水、抗老化等性能。

（5）抗氧剂主抗氧剂如：酚类抗氧剂1010，是目前抗氧剂的优秀品种之一，有卓越的抗氧化性能。

可有效地延长制品的使用期限；挥发性小，耐抽出性好、热稳定性高、持效性长，不着色，不污染、无毒；是一种高分子量的受阻酚抗氧剂，挥发性很低，而且不易迁移，耐萃取；能有效地防止聚合物材料在长期老化过程中的热氧化降解，同时也是一种高效的加工稳定剂，能改善聚合物材料在高温加工条件下的耐变色性，一般用量为0.1%~0.5%。

辅抗氧剂：亚磷酸酯，如抗氧剂TNP，对于聚合物在贮存及加工时的树脂化及热氧老化有显著的抑制作用。

无污染，无毒，在日光下不变色，与酚类抗氧剂并用，其效能课大为提高。

用量一般为0.1~0.3%（6）增韧剂热塑性聚氨酯弹性体(TPU)，兼具有柔韧性、耐磨性、生物相容性和生物稳定性的特点，是医疗器械的理想材料。

TPU弹性体的软段主要是聚酯或聚醚，并且已发现PLA与一些聚酯或聚醚相容，因而TPU有可能与PLA具有良好的相容性；TPU硬段部分较多的氨基甲酸酯链节可能与PLA形成氢键相互作用，从而增强两相间的结合。

由于TPU优越的力学性能和可能与PLA较好地相容，该设计引入一种性能优良的聚己内酯型TPU弹性体共混增韧PLA，以获得具有优异力学性能的PLA共混物。

四、实验仪器与设备1、螺杆挤出机①传动装置电动机、减速机构和轴承等组成。

具有保证挤出过程中螺杆转速恒定、制品质量的稳定以及保证能够变速作用；②加料装置无论原料是粒状、粉状和片状，加料装置都采用加料斗。

加料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等装置；③料筒料筒挤出机的主要部件之一，塑料的混合、塑化和加压过程都在其中进行。

挤出时料筒的压力很高，工作温度一般为180~250℃，因此料筒是受压和受热的容器，通常由高强度、坚韧耐磨和耐腐蚀的合金制成。

料筒外部设有分区加热和冷却的装置；④螺杆螺杆挤出机的关键部件；⑤口模和机头机头是口模与料件之间的过渡部分，其长度和形状随所用塑料的种类、制品的形状加热方法及挤出机的大小和类型而定。

机头和口模结构的好坏，对制品的产量和质量影响很大。

2、氧指数测试仪氧指数测定仪主要组成部分有：燃烧筒、试样夹、流量测定和控制系统；其他辅助配置有气源、点火器、排烟系统、计时装置等。

①燃烧筒燃烧筒是内径为70-80mm，高450mm的耐热玻璃管。

管的下部用直径3-5mm 的玻璃珠填充，填充高度100mm。

在玻璃珠上方有一金属网，以遮挡塑料燃烧时的滴落物。

②试样夹在燃烧筒轴心位置上垂直地夹具试样的构件。

③流量测定和控制系统有压力表、稳定阀、调节阀、管路和转子流量计等组成。

计算后的氧、氮气体经混合气室混合后由燃烧筒底部的进气口进入燃烧筒。

④点火器由装有丁烷的小容器瓶、气阀和内径为1mm的金属导管喷嘴组成，当喷嘴处气体点着时其火焰高度为6-25mm，金属导管能从燃烧筒上方伸入筒内，以点燃试样。

点燃燃烧筒内的试样可采用顶端点燃法，也可采用扩散点燃法。

氧指数是指在规定的试验条件下，试样在氧氮混合气流中，维持平稳燃烧（即进行有焰燃烧）所需的最低氧气浓度，以氧所占的体积百分数的数值表示（即在该物质引燃后，能保持燃烧50mm长或燃烧时间3min时所需要的氧、氮混合气体中最低氧的体积百分比浓度）。

一般认为，OI<27的属易燃材料,27≤OI<32的属可燃材料,OI≥32的属难燃材料。

3、万能电子拉力机万能电子拉力机采用高精度、全数字调速系统及精密减速机，驱动精密丝杠副进行试验，可实现试验速度的大范围调节。

技术参数:①试验力准确度；优于±1%②位移分辨率：0.01mm；③位移速度控制范围： 1mm/min~300mm/min④试验机尺寸：660*420*1780 mm⑤供电电源：220V，50Hz⑥重量：300KG⑦最大试验力： 50KN４、冲击试验机摆锤式冲击试验机由以下部分组成：主机身、取摆机构、挂脱摆机构、自动扬摆讯号装置、标度盘、摆锤、防护装置、电气部分组成。

该机最大冲击能量为300J，并带有150J摆锤一个。

所用试样断面为10×10mm。

试验原理是利用摆锤冲击前位能与冲击后所剩位能之差在度盘上显示出来的方式，得到所试验试样的吸收功。

5、热重分析仪热重分析仪是一种利用热重法检测物质温度-质量变化关系的仪器。

热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化关系。

热重分析仪主要由天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分构成。

6、红外光谱分析仪利用红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定。

将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。

每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。

7、差热扫描量热仪测量的是与材料内部热转变相关的温度、热流的关系；材料的特性，如玻璃化转变温度、冷结晶、相转变、熔融、结晶、产品稳定性、固化/交联、氧化诱导期等，都是差示扫描量热仪的研究领域。

技术参数：温度范围: 室温~800℃风冷-50℃～800℃半导体制冷-100℃～800℃液氮制冷升温速率: 1~80℃/min降温速率:1~20℃/min温度分辨率: 0.1℃温度波动: ±0.1℃8、扫描电镜扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。