东北林业大学李斌教授《CEJ》：在功能性阻燃生物基复合材料PLA研究领域取得进展|cej|东北林业大学

随着人类能源和环保意识的不断增强，可再生和可降解的生物基高分子材料得到了大家的广泛关注。而作为来自于传统农作物资源（玉米，木薯，甜菜等其他农作物）的生物基材料聚乳酸（PLA），由于其具有高的透明性、优异的机械强度以及出色的生物相容性，目前主要用于医疗，包装，农业和工程材料等领域。然而，随着科学技术的进步和社会的不断发展，PLA在电子电器，汽车，建筑材料和轨道交通等领域展现出了巨大的应用潜力。不幸的是，PLA自身的易燃性和缓慢的结晶性严重限制了其在这些新兴领域中的应用。因此，迫切地需要开发一种新的策略来同时提高PLA的阻燃性能和结晶速率。

近日，东北林业大学李斌教授课题组的刘鲁斌和徐悦博士在李斌和许苗军教授的共同指导下，通过一系列的分子设计，合成了多种的膦酰胺类阻燃成核剂，将其应用于生物基材料PLA中，在赋予PLA生物复合材料优异阻燃性能的同时，使PLA的结晶速率和结晶度明显提高。其中，三氨乙基三（二苯基次膦酰胺）（NTPA）阻燃成核剂在保证PLA复合材料出色的综合性能的同时，展现了最高的阻燃效率，其结构式和表征如图1所示。

图1 NTPA的1H和31P核磁共振谱图

为了研究NTPA对PLA生物材料结晶行为的影响，通过Avrami方程和t 1/2对PLA复合材料的等温结晶动力学进行了分析（图2）。研究表明，NTPA在PLA基体中发挥了异相成核的作用，有效地提高了PLA复合材料的结晶速率（图3）。

图2 在不同设定温度下PLA和PLA/NTPA复合材料(a-e)的lg[-ln(1-Xt)]与lgt之间的关系

图3在115℃结晶不同时间下的PLA，PLA1.0和PLA2.5复合材料的POM图像

与此同时，将NTPA引入到PLA生物材料中，PLA/NTPA复合材料保持着优异的机械性能和透明性。且通过相关的阻燃性能测试表明：NTPA的添加量仅为2.5 wt%时，PLA复合材料的氧指数提高了50%，且顺利通过了UL-94 V-0级，在PLA生物材料中展现了杰出的阻燃性能，相关结果如图4所示。

图 4 PLA/NTPA复合材料的UL-94测试视频截图

最后，课题研究人员采用TGA、SEM、FTIR、Raman、XPS、TG-IR-GC/MS等表征手段，对PLA/NTPA复合材料的凝聚相和气相的阻燃机理进行了分析，其示意图如图5所示。

图 5 阻燃机理示意图

该研究制备的环境友好型无卤阻燃成核剂，在PLA中展现了优异阻燃性能的同时，有效地提高了PLA的结晶速率和结晶度，为今后制备高性能的多功能型阻燃成核剂提供了一种新的思路。

相关研究成果“Facile synthesis of an efficient phosphonamide flame retardant for simultaneous enhancement of fire safety and crystallization rate of poly (lactic acid)”近期发表在Chemical Engineering Journal (IF=10.65)，论文的通讯作者为东北林业大学李斌和许苗军教授，博士生刘鲁斌和徐悦为论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金和中央高校基础研究经费的资助。