无卤阻燃增韧聚乳酸3D打印材料的制备及性能研究

【摘要】：聚乳酸(PLA)作为热塑性的生物可降解脂肪族聚酯材料,因其具有优良的生物相容性、高透明性、高模量和高强度等特性,近年来受到人们的广泛关注。而随3D打印技术的发展,作为环境友好型材料的PLA在3D打印领域具有广阔的应用前景。然而,作为3D打印耗材要求材料具有良好的加工流动性和韧性,这样可以防止在打印过程中发生喷头堵塞,同时避免在牵引力作用下发生断丝现象。由于PLA韧性差、流动性差和易燃等缺点,限制了PLA在3D打印领域的广泛应用。本文首先系统性综述了近年来PLA在阻燃、增韧和3D打印领域的研究情况。其次,采用聚乙二醇(PEG)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚磷酸铵(APP)和液晶聚合物(LCP)对PLA同时进行阻燃和增韧改性,并通过极限氧指数测试、垂直燃烧测试、热重分析、差示扫描量热分析、力学性能测试、扫描电镜分析和熔融指数分析等对PLA复合材料进行性能表征。主要研究工作如下:(1)通过熔融共混的方法制备了PLA/PEG/APP/LCP阻燃增韧体系。极限氧指数和垂直燃烧测试表明添加15%的APP后复合材料的极限氧指数达到30.1%,达到难燃级别,通过UL-94 V-0标准。热重分析发现,LCP的添加降低了复合材料最大分解速率所对应的温度。力学性能测试发现,PEG的添加使PLA的韧性得到明显改善,添加15%PEG使复合材料的断裂伸长率由4.1%提高到75.2%,随LCP添加量的增加复合材料的断裂伸长率逐渐降低,添加1.0%LCP时,断裂伸长率由57.1%降低到19.38%。对拉伸断裂面进行SEM测试发现,PEG与PLA相容性较好,体现明显的韧性断裂,APP与PLA发生相分离现象。通过熔融指数分析发现,LCP的添加可以明显改善复合材料的加工流动性,MFR由7.01g/10min提高到14.09g/10min。(2)通过熔融共混的方法制备了PLA/PBS/APP阻燃增韧体系。极限氧指数和垂直燃烧测试表明,APP添加量为20%时LOI达到31.5%,通过UL-94 V-0标准。热重分析发现,改性后复合材料初始分解温度提高了10℃,残炭率随APP含量的增加由0.2%提高到16.8%。力学性能测试发现,添加PBS后复合材料的冲击强度和断裂伸长率明显提高,随APP含量的增加复合材料的拉伸强度、冲击强度和断裂伸长率逐渐降低。对拉伸断裂面进行SEM测试发现,PLA和PBS未完全相容,APP与PLA发生相分离现象。通过熔融指数分析发现,随APP含量的增加复合材料MFR先增大后减小,APP含量为15%时达最大值27.41g/10min。(3)通过熔融共混的方法制备了PLA/EVA/APP阻燃增韧体系。极限氧指数和垂直燃烧测试表明,当APP添加量为20%时LOI达到28.3%,达到难燃材料级别,通过UL-94V-0标准。热重分析发现,改性后复合材料初始分解温度提高了10℃左右,残炭率随APP含量的增加由1.34%提高到20.26%。力学性能测试发现,添加EVA后复合材料的冲击强度和断裂伸长率明显提高,随APP含量的增加复合材料的拉伸强度、冲击强度和断裂伸长率逐渐降低。对拉伸断裂面进行SEM测试发现,PLA和EVA相容性较差,APP与PLA发生相分离现象。熔融指数分析发现,随APP含量的增加复合材料MFR先增大后减小,APP含量为10%时达最大值22.51g/10min。