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随着人们安全环保意识的日益增强和相关法律法规的日趋严格,传统的卤素阻燃剂和阻燃技术正逐渐被替代和升级。含磷阻燃剂因其低毒和环保等特点,在阻燃科学领域受到了越来越多的青睐。但是传统含磷阻燃剂阻燃效率不高、与聚合物基体相容性不理想,因而开发新型高效环保的含磷阻燃剂已成为近年来的研究热点之一。聚乳酸(PLA)作为生物基高分子材料具有生物可降解性和良好的物理机械性能,在电子电器等工业领域有着广阔的应用前景。但是PLA自身的阻燃性能不能满足终端产品的要求,从而限制了其应用范围,所以开发高效环保的PLA阻燃复合材料并研究其燃烧机理具有重要的现实意义。本课题用简单高效的合成方法制备了四种新型化学结构的有机/无机含磷阻燃剂,对其化学结构进行了表征分析,并研究了阻燃剂合成机理；通过复配和混料试验设计的方法设计合理的阻燃配方,制备了阻燃PLA、聚乳酸/聚碳酸酯(PLA/PC)、聚乳酸/尼龙11 (PLA/PA11)复合材料,表征并分析了PLA复合材料的阻燃性能、热性能、力学性能和微观形貌,探索了不同结构的新型阻燃剂对PLA复合材料性能的影响规律,并提出了相应的阻燃机理等。主要工作如下：1、以六氨基苯氧环三磷腈(C2)和磷杂菲化合物(DOPO)为反应物,利用Atherton-Todd反应合成了一种磷腈-磷杂菲类阻燃剂HPAPC,并通过傅立叶变换红外光谱(FTIR),核磁共振(NMR),元素分析(EA)等对其结构进行了表征。通过熔融共混将HPAPC添加至PLA中,研究表明,添加5 wt% HPAPC可将PLA的氧指数值(LOI)提高至34.7,垂直燃烧(UL-94)达V-0级。并对比了相同含磷量的HPAPC和简单共混体系(C2/DOPO)对PLA复合材料阻燃性能、热性能和力学性能的影响。通过对锥形量热(Cone)测试残炭的FTIR分析结果表明HPAPC在PLA燃烧过程中可以生成聚磷酸以及P-N交联化合物,通过促进成炭和覆盖在材料表面起到隔热隔氧作用；同时热重红外联用(TGA-FTIR)和裂解-气相色谱质谱联用仪(Py-GC/MS)测试结果表明,氨气的生成促进了炭层的膨胀,并稀释了可燃性挥发组分的浓度,同时含磷自由基捕捉维持燃烧反应的H·/OH·,从而明显提高了阻燃效果。2、利用Kabachnik-Fields反应合成了一系列多羟基磷腈-磷杂菲化合物(HPHAPC,化合物3,化合物4),并通过FTIR、NMR、EA等分析测试手段对其结构进行表征。HPHAPC与七异丁基三硅醇聚倍半硅氧烷(POSS)复配添加至PLA/PC(60/40)中。研究表明,PLA/PC复合材料添加3 wt% HPHAPC和3 wt% POSS后,LOI值从23.2提高到了31.5,UL-94燃烧从无等级提高到V-0,热释放速率峰值(PHRR)从748kW·m-2降低至520 kW·m-2,HPHAPC和POSS之间存在明显协效阻燃作用。差示扫描量热法(DSC)结果表明POSS的加入对PLA/PC复合材料体系有一定的增容作用。PLA/PC/HPHAPC/POSS复合材料的X射线光电子能谱分析(XPS)结果表明HPHAPC和POSS在加工过程中存在交联反应,交联结构在燃烧过程促进了炭层的形成,从而起到良好的隔热隔氧作用；TGA-FTIR和Py-GC/MS数据显示,HPHAPC裂解产物在气相中可以捕捉燃烧链反应的自由基,进而有效抑制了燃烧速率。3、以三聚氰胺(MEL)和磷酸类络合剂(羟基乙叉二膦酸(HEDP)、氨基三甲叉磷酸(ATMP)、乙二胺四甲叉膦酸(EDTMPA)为反应物合成了交联网状结构阻燃剂HEDP-MEL、ATMP-MEL和HPAA-MEL。用FTIR,固体NMR和EA表征了HEDP-MEL的化学结构,并设计不同比例的HEDP-MEL与次磷酸铝(OP1230)复配配方,将PLA的LOI提升至33.9,UL-94等级达V-0,成功制备了PLA阻燃复合材料。以此为基础,类似的复配配方应用于PLA/PA11(40/60)阻燃复合材料中,并对比了两者在阻燃PLA和PLA/PA11的不同。结果表明复配阻燃剂可以使复合材料的LOI值从22.9提升至33.5,UL-94测试从无等级提高到V-0等级,PHRR从430 kW·m-2降低至303 kW·m-2,且HEDP-MEL和OP1230之间存在协效阻燃作用。通过固体NMR对PLA/PA11复合材料锥量残炭样品的分析得知复配阻燃剂在燃烧过程中形成了磷酸和P-N交联网状化合物,主要在凝聚相中发挥阻燃作用；TGA-FTIR和Py-GC/MS结果表明HEDP-MEL产生的氨气和PO-在气相中发挥阻燃作用。4、通过化学反应将磷杂菲化合物(DOPO)、硅烷偶联剂(AMEO)接枝到无机纳米粒子海泡石(SEP)表面,制备了有机／无机杂化SEP-DOPO,并通过固体NMR, FTIR对其结构进行了表征。采用TGA研究了其热降解过程,并通过残炭量计算出DOPO对SEP的接枝率约为12.8%。通过熔融共混制备了PLA/SEP-DOPO阻燃复合材料,结果表明PLA/10 wt% SEP-DOPO的LOI值可达到31.5,UL-94等级可达V-0。通过计算不同配方的△LOI比值,探索了DOPO和SEP在阻燃PLA中的协效阻燃作用。TGA-FTIR和Py-GC/MS的结果表明未接枝的DOPO在燃烧过程中比聚合物基体提前约40℃降解,使得简单共混体系不能发挥较好的阻燃作用。SEP-DOPO的合成提高了DOPO的热稳定性,在热降解过程中,生成的含磷自由基与水蒸气共同在气相中发挥阻燃作用；对残炭的固体NMR分析表明SEP-DOPO在热降解过程中形成的Si-O-Si和P-N交联化合物起到了很好的隔热隔氧作用,另外SEP-DOPO在PLA中分散性较好,在热降解过程中可发生羟基间交联,改变了基体热降解路径,促进了基体成炭,从而在凝聚相中发挥阻燃作用。5、以SEP和DOPO分别作为无机相和有机相,通过混料试验设计原理,得到10组代表性试验配方,并通过熔融共混制备了PLA复合材料。研究了不同比例的PLA、DOPO和SEP对复合材料LOI和PHRR值的影响,并根据实验数据运用MODDE 10.1软件拟合得到二次回归方程,并计算其R2 (LOI)和R2 (PHRR)值分别为0.98和0.91,拟合度较高,故用此回归方程可以估计不同共混比例PLA/SEP/DOPO复合材料的LOI和PHRR值。通过对PLA/SEP/DOPO复合材料的热性能分析表明,SEP的加入可以提高复合材料体系的起始热降解温度和残炭量,DSC曲线分析发现PLA/SEP/DOPO的结晶过冷度减小,DOPO和SEP起到了成核剂的作用,促进了PLA的结晶。通过对样品残炭的固体NMR分析得知,Si-O-Si和聚磷酸等炭层结构的生成在凝聚相中发挥阻燃作用,但是不同SEP和DOPO添加比例的PLA复合材料在燃烧后,其Si炭层结构有明显不同,证明了在特定比例下SEP和DOPO的简单共混存在协效阻燃作用；TGA-FTIR和Py-GC/MS测试结果表明在气相中发挥主要阻燃作用的是SEP热降解过程中释放的水蒸气。