01 研究背景

     聚乳酸(PLA)因其优异的加工和机械性能、良好的生物降解性和易于获得的原材料，成为最有前途的材料之一。本工作致力于进一步提升PLA的阻燃性、耐UV老化性，并加速其快速降解的有效策略。总体工作如图1所示。

图1：工作介绍

 

     本工作利用单宁酸微球和植酸(PA)合成一种具有核壳结构的生物基添加剂(PA-Fe-HBT)，其制备过程及结构如图2所示。研究了PA-Fe-HBT对PLA阻燃性、UV辐射后力学性能的变化，及其对PLA降解速率及降解产物成分及纯度的影响。该文章“A new strategy for the preparation of polylactic acid composites with flame retardancy, UV resistance, degradation, and recycling performance”发表在Chemical Engineering Journal,2023,472,145000,  (https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145000)。第一作者为火安全研究中心硕士生陈锦轩，通讯作者为张胜老师和孙军老师。

 

图2 PA-Fe-HBT的合成过程示意图

 

02 结果与讨论

 

2.1阻燃性能

       添加3%的PA-Fe-HBT的PLA样品的LOI达到25.5%，并通过垂直燃烧测试中的 UL-94 V-0 等级。在锥形量热测试中，表现出抑制热量释放速率及总量的效果。

 

2.2力学性能及UV辐射后的力学性能变化

 

     研究中发现3%的PA-Fe-HBT能够使PLA的拉伸强度提升22%，断裂伸长率基本保持不变。FTIR谱图中发现PA-Fe-HBT与PLA基体形成氢键连接，使其力学性能有所增强。

 

     PLA在UV辐射一段时间后，其力学性能降低明显，使得户外应用的PLA制品的安全使用寿命减少。本研究发现，添加3%PA-Fe-HBT的PLA样品，在UV辐射过程中，UVA透过率降低了99.97%。经过100h的UV辐射后，表现出高于PLA对照组409%的拉伸强度。结果如图3所示。

 

     图3 UV辐射后的拉伸行为及微观形貌

 

       本工作展开在UV辐射下的作用机制分析紫外老化的机理，如图4所示。HBT中的酚羟基与外壳层中的PA相互作用，可淬灭光氧化过程中产生的，因此PA-Fe-HBT可减少以酸酐基团和羰基为特征的降解产物的生成，显著降低UV对聚乳酸的氧化作用。紫外线不易穿透整个 PLA/3%PA-Fe-HBT样品。UV辐射射下PLA的降解只发生在表面，而不是整个聚乳酸基质。

 

图4 抗UV辐射下PA-Fe-HBT对PLA的氧化作用机制

 

 

2.3加速降解速率及降解产物分析

 

       如图5所示，将PLA/3%PA-Fe-HBT放入氢氧化钠溶液中7h后，样品完全消失，而PLA对照样品则没有任何变化。说明PA-Fe-HBT加速了PLA在碱性环境中的降解速率。

 

    图5 PLA/3%PA-Fe-HBT在氢氧化钠溶液中的降解过程及降解产物

 

     HPLC分析发现降解产物中乳酸的纯度为 88%。分析发现PA-Fe-HBT中的Fe³⁺与C=O反应形成稳定的Fe-O和Fe-C化学键，促进C=O在碱性环境中断裂,催化了PLA降解。其机理如图6所示。

 

图6 PA-Fe-HBT促进PLA降解机理

 

03 结果与讨论

     通过沉淀聚合法制备的新型生物基微球PA-Fe-HBT可以同时改善PLA的阻燃性、机械性能、抗紫外线性能，并加速PLA降解得到纯度高达88%的乳酸。