生物质修饰二硫化钼纳米杂化材料的设计制备及其在阻燃聚乳酸中的应用

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随着世界性的资源枯竭、能源危机以及生态环境恶化等一系列问题的出现,生物质可再生材料及其衍生物的研究开发越来越受到人们的重视。其中聚乳酸作为一种非石油基的生物可降解高分子材料,以卓越的综合性能而备受关注,但聚乳酸易燃易滴落的缺点限制了其应用领域的拓展。二维纳米材料研究科学的进步,使其在提高聚乳酸热、力学和阻燃等性能方面受到广泛关注。其中,二硫化钼(MoS2)作为一种新型二维纳米材料,具有独特的层状纳米结构和良好的稳定性,逐渐成为聚合物复合材料领域的研究热点。大量研究结果表明:添加少量的MoS2可以明显改善聚合物材料的力学性能以及热学性能。此外,相比于传统含卤阻燃剂,二硫化钼可以实现环境友好型阻燃。但二硫化钼在聚合物基体中易团聚,与聚合物基体相容性差。因此,本文拟解决的关键问题是如何设计制备高性能的MoS2基杂化片层并提高其在聚乳酸基体中的分散性,进而获得高性能MoS2/PLA纳米复合材料。基于此,本文探索设计了三种生物质修饰的二硫化钼基纳米杂化材料,以改善其与聚乳酸基体间的界面相互作用,同时对PLA纳米复合材料的阻燃等性能进行研究。主要研究工作如下:(1)针对MoS2片层在聚合物基体中易团聚堆积、相容性较差等缺点,首先通过锂离子插层-超声水解剥离法制备单片层或寡片层的MoS2,利用三聚氰胺植酸盐(MA-PA)对MoS2纳米片层表面进行修饰,得到fMA-MoS2纳米杂化材料,通过溶液共混法制备fMA-MoS2/PLA纳米复合材料,XRD、FT-IR、TGA以及SEM测试结果表明成功设计制备了fMA-MoS2纳米杂化材料。PLA复合材料的断面SEM测试结果表明MA-PA改性后的MoS2杂化材料在聚乳酸基体中具有良好的分散性,同时研究发现fMA-MoS2纳米杂化材料的加入对PLA复合材料的阻燃性能有所改善,与纯PLA相比,添加了杂化材料的PLA复合材料的PHRR下降了16%。(2)通过静电自组装法制备PEI-MoS2,并将植酸接枝在PEI-MoS2上形成fPEI-MoS2杂化材料。利用植酸表面丰富的磷酸基团,将过渡金属离子Fe3+修饰在fPEI-MoS2表面制备fPEI-MoS2@Fe3+杂化材料。并将其加入到PLA基体中制备阻燃聚乳酸复合材料。SEM测试结果证实了杂化材料在PLA基体中未出现团聚现象,具有良好的分散性。TGA和锥形量热测试结果表明,少量fPEI-MoS2@Fe3+杂化材料的加入即可提高PLA复合材料的热性能和阻燃性能,其中杂化材料添加量为3%时,复合材料的热性能和阻燃性能最佳,相比于纯PLA,700℃时PLA复合材料的残炭率从0.2%提高到了5.2%,PHRR从718 KW/m2下降到了523 KW/m2,下降了27%。(3)由于MoS2表面不含任何活性基团且呈现化学惰性的缺点,首先利用多巴胺自聚作用形成聚多巴胺包覆在MoS2表面,再通过PDA表面丰富的羟基与Ni2+之间的相互作用力成功引入Ni2+,进一步通过加入氨水成功合成Ni(OH)2并修饰在MoS2-PDA上。将其加入到聚乳酸中制备MoS2-PDA@Ni(OH)2/PLA纳米复合材料。通过XRD、FT-IR、TEM、SEM和TGA测试证明MoS2-PDA@Ni(OH)2杂化材料成功制备且具有较高的纯度。SEM测试结果表明添加3%杂化材料的PLA纳米复合材料无团聚现象出现。TGA、DSC和锥形量热测试结果证实了MoS2-PDA@Ni(OH)2杂化材料可以显著提升PLA复合材料的热稳定性、结晶性能以及阻燃性能,其中,添加3%杂化材料可以使PLA复合材料的PHRR降低21.7%。
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