隨著人類能源和環保意識的不斷增強，可再生和可降解的生物基高分子材料得到了大家的廣泛關注。而作為來自於傳統農作物資源（玉米，木薯，甜菜等其他農作物）的生物基材料聚乳酸（PLA），由於其具有高的透明性、優異的機械強度以及出色的生物相容性，目前主要用於醫療，包裝，農業和工程材料等領域。然而，隨著科學技術的進步和社會的不斷發展，PLA在電子電器，汽車，建築材料和軌道交通等領域展現出了巨大的應用潛力。不幸的是，PLA自身的易燃性和緩慢的結晶性嚴重限制了其在這些新興領域中的應用。因此，迫切地需要開發一種新的策略來同時提高PLA的阻燃性能和結晶速率。
近日，東北林業大學李斌教授課題組的劉魯斌和徐悅博士在李斌和許苗軍教授的共同指導下，通過一系列的分子設計，合成了多種的膦醯胺類阻燃成核劑，將其應用於生物基材料PLA中，在賦予PLA生物複合材料優異阻燃性能的同時，使PLA的結晶速率和結晶度明顯提高。其中，三氨乙基三（二苯基次膦醯胺）（NTPA）阻燃成核劑在保證PLA複合材料出色的綜合性能的同時，展現了最高的阻燃效率，其結構式和表徵如圖1所示。
圖1 NTPA的1H和31P核磁共振譜圖
為了研究NTPA對PLA生物材料結晶行為的影響，通過Avrami方程和t1/2對PLA複合材料的等溫結晶動力學進行了分析（圖2）。研究表明，NTPA在PLA基體中發揮了異相成核的作用，有效地提高了PLA複合材料的結晶速率（圖3）。
圖2 在不同設定溫度下PLA和PLA/NTPA複合材料(a-e)的lg[-ln(1-Xt)]與lgt之間的關係
圖3在115℃結晶不同時間下的PLA，PLA1.0和PLA2.5複合材料的POM圖像
與此同時，將NTPA引入到PLA生物材料中，PLA/NTPA複合材料保持著優異的機械性能和透明性。且通過相關的阻燃性能測試表明：NTPA的添加量僅為2.5 wt%時，PLA複合材料的氧指數提高了50%，且順利通過了UL-94 V-0級，在PLA生物材料中展現了傑出的阻燃性能，相關結果如圖4所示。
圖 4 PLA/NTPA複合材料的UL-94測試視頻截圖
最後，課題研究人員採用TGA、SEM、FTIR、Raman、XPS、TG-IR-GC/MS等表徵手段，對PLA/NTPA複合材料的凝聚相和氣相的阻燃機理進行了分析，其示意圖如圖5所示。
圖 5 阻燃機理示意圖
該研究製備的環境友好型無滷阻燃成核劑，在PLA中展現了優異阻燃性能的同時，有效地提高了PLA的結晶速率和結晶度，為今後製備高性能的多功能型阻燃成核劑提供了一種新的思路。
相關研究成果「Facile synthesis of an efficient phosphonamide flame retardant for simultaneous enhancement of fire safety and crystallization rate of poly (lactic acid)」近期發表在Chemical Engineering Journal (IF=10.65)，論文的通訊作者為東北林業大學李斌和許苗軍教授，博士生劉魯斌和徐悅為論文的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金和中央高校基礎研究經費的資助。
相關論文：
Liu LB, Xu Y, Pan Y, Xu MJ, Li B. Facile synthesis of an efficient phosphonamide flame retardant for simultaneous enhancement of fire safety and crystallization rate of poly (lactic acid). Chem Eng J. 2020; 127761.
論文連結地址：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127761
來源：高分子科學前沿
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