2022年无卤阻燃聚乳酸的制备及性能测试_产品设计报告.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 产品设计报告题 目：无卤阻燃聚乳酸地制备及性能测试学 院：专 业：学 号：姓 名：指导老师：完成日期：名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 无卤阻燃聚乳酸地制备及性能测试任务书 一、产品设计地性质、任务与目地 1.产品设计地性质 本课程是高分子材料与工程专业地一门有用性很强地专业课程 .同学在学完 高分子化学、材料添加剂化学及高分子材料成型加工课程后,综合运用所学相 关学问,进行初步地产品设计 .2.设计任务：撰写简要设计说明书；绘制详细反应工艺流程图；说明助剂挑选缘由,助剂结构及基本物性,工艺详细参数及数据来源,产物各方面性能测试表征,详细评判依据 .3.设计地目地 学习聚合物熔融共混工艺,明白螺杆挤出机基本操作,把握测试塑料阻燃性能地基 本操作,把握测定热塑性聚合物熔体流淌速度地方法；把握检索文献地方法；通过阅读文献,明白并把握无卤阻燃聚乳酸地制备及性能测试,并能完 成无卤阻燃聚乳酸地制备与性能测试报告；通过产品设计使同学把握应具备地基本高分子材料产品设计技能 .二、产品设计地主要内容 1、完成原料、加工工艺等地挑选和优化； 2、说明助剂挑选缘由,助剂结构及基本物性,详细投料比,生产工艺条件、产物各方面 性能测试表征,详细评判依据； 3、说明该材料详细可以制备什么产品,需附详细加工设备；名师归纳总结 4、画出详细反应工艺流程图.第 2 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录 一、 绪论 二、 制备方法及设计优点 三、 助剂挑选及工艺参数 四、 试验仪器与设备 五、 性能测试 1、氧指数 2、扫描电镜照片 3、差热分析 4、力学性能测试 5、韧性测试 6、热稳固性 7、降解性 8、红外光谱分析 六、 材料成型方法 七、 产品用途 八、 展望 九、 参考文献一、绪论聚乳酸 PLA 是由乳酸合成地无毒、可完全生物降解地聚合物,具有良好地生物相容性名师归纳总结 和可降解性 ,已被应用于生物医药方面,也被普遍认为是传统石油类原料地潜在替代品.但第 3 页,共 13 页是, PLA 耐热性能差,简洁燃烧,并伴有熔滴现象,玻璃化转变温度较高约 5565,在- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 常温下出现硬而脆地性质,从而严峻限制了它地应用.欲将 PLA 应用于电子电器、汽车、家电等产品地零部件及生物医药方面,必需对其进行阻燃改性和增韧处理 .二、制备方法及设计优点1、制备方法先将阻燃剂进行表面改性,再将改性后地阻燃剂、聚乳酸、其它助剂共混挤出得到产品 .详细步骤如下 : 1将聚乳酸、阻燃剂分别在30120下真空干燥124 小时,以除去水分； 2将步骤 1得到地处理后地阻燃剂与阻燃助剂、抗氧剂依据重量比在干燥地容器内进行搅拌,使其混合匀称,得到阻燃混合物；其各组分地重量百分比为 :阻燃剂 6998.5wt%阻燃助剂 0.530wt%抗氧剂 110wt%其总重量满意 100%； 3将步骤 1得到地处理后地聚乳酸、步骤2 得到地阻燃混合物、偶联剂、增韧剂按重量比加入到干燥地容器内,混合匀称,然后熔融共混；采纳双螺杆挤出机得到所需产品；其中各组成地重量百分比为 :聚乳酸 59.495wt%阻燃混合物 220wt%增韧剂 230wt%其余为偶联剂,其总重量满意 100%；采纳地双螺杆挤出机,挤出机中熔融挤出、造粒 ,挤出机机筒各段温度依次为 160、175、180、180、180、180、175,螺杆转速为 60 r/min ,喂料速率为 3 kg/h,物料挤出后经冷却、切粒、干燥得到阻燃改性聚乳酸 .2、该设计地优点在于 : 1选用环境友好地无卤阻燃剂与聚乳酸进行复合,所得地制品完全满意环保地要求 . 2选用无卤阻燃剂与聚乳酸进行复合,所得地制品具有良好地阻燃性能,制品满意 UL 94 VO 或 UL94 V1 级标准,可应用于航空、汽车、电子等对阻燃性能要求苛刻地领域 . 3制备方法简洁有效、工艺条件温顺,适用于工业化生产 .4可以依据产品地要求调剂阻燃剂地用量、配方,掌握生产成本；三、助剂挑选及工艺参数（1）聚乳酸重均分子量为11053105,由乳酸合成地无毒、可完全生物降解地聚合物,具有良好地生物相容性和可降解性.但是, PLA 耐热性能差,简洁燃烧,并伴有熔滴现象,玻璃化转变温度较高 约 5565,在常温下出现硬而脆地性质 .（2）阻燃剂有机磷系阻燃剂 9, 10-二氢 -9-氧杂 -10- 磷杂菲 -10-氧化物 DOPO 具有抗氧化性、无烟、无毒和优良地耐水性 ,已用于聚酯及环氧树脂阻燃 .同时 DO-PO 又是新型反应型阻燃剂中间体,能与苯醌反应合成衍生物10-2, 5- 二羟基苯基 -10- 氢-9-氧杂 -10-磷杂菲 -10-氧化物名师归纳总结 DOPO-HQ.DOPO-HQ具有高效地阻燃性,无烟、无毒 ,由于磷 -碳键存在 ,化学稳固性好,耐第 4 页,共 13 页水,能永久阻燃且不迁移,在提高高分子材料地阻燃性、热稳固性和有机溶解性地同时,保- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 持或部分转变高分子材料地力学性能 中,提高聚合物阻燃性和热稳固性 学性能地影响较小 .（3）阻燃助剂.DOPO-HQ 可以通过共聚键入聚酯、聚醚、聚酰胺链 .因 DOPO-HQ 与聚酯相容性良好,所以对阻燃体系物理力季戊四醇、三聚氰胺、淀粉、二氧化钦、硬脂酸钙、硬脂酸锌、碳酸钙、硼酸锌、氧化锑、沸石、二氧化硅、氢氧化镁、抗滴落剂或交联剂等中地一种或几种 .（4）偶联剂硅烷偶联剂 KH550 ,分子中含有两种不同地活性基因 氨基和氧基,呈碱性 .外观为无色或微黄色透亮液体,通用性强,可溶于有机溶剂,但丙酮、四氯化碳不相宜作稀释剂 .可溶于水,在水中水解,沸点217.用来偶联有机高分子和无机填料,增强其粘结性,提高产品地机械、电气、耐水、抗老化等性能 .（5）抗氧剂主抗氧剂如：酚类抗氧剂1010,是目前抗氧剂地优秀品种之一,有杰出地抗氧化性能.可有效地延长制品地使用期限；挥发性小,耐抽出性好、热稳固性高、持效性长,不着色,不污染、无毒；是一种高分子量地受阻酚抗氧剂,挥发性很低,而且不易迁移,耐萃取；能有效地防止聚合物材料在长期老化过程中地热氧化降解,同时也是一种高效地加工稳固剂,能改善聚合物材料在高温加工条件下地耐变色性,一般用量为 0.1%0.5%.辅抗氧剂：亚磷酸酯,如抗氧剂TNP,对于聚合物在贮存及加工时地树脂化及热氧老化有显著地抑制作用 .无污染,无毒,在日光下不变色,与酚类抗氧剂并用,其效能课大为提高.用量一般为 0.10.3%（6）增韧剂热塑性聚氨酯弹性体 TPU ,兼具有柔韧性、耐磨性、生物相容性和生物稳固性地特点,是医疗器械地抱负材料 .TPU 弹性体地软段主要是聚酯或聚醚,并且已发觉 PLA 与一些聚酯或聚醚相容,因而 TPU 有可能与 PLA 具有良好地相容性；TPU 硬段部分较多地氨基甲酸酯链节可能与 PLA 形成氢键相互作用,从而增强两相间地结合 .由于 TPU 优越地力学性能和可能与 PLA 较好地相容,该设计引入一种性能优良地聚己内酯型 TPU 弹性体共混增韧 PLA ,以获得具有优异力学性能地 PLA 共混物 .四、 试验仪器与设备1、螺杆挤出机传动装置电动机、减速机构和轴承等组成 及保证能够变速作用；加料装置.具有保证挤出过程中螺杆转速恒定、制品质量地稳固以无论原料是粒状、粉状和片状,加料装置都采纳加料斗 .加料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等装置；料筒料筒挤出机地主要部件之一,塑料地混合、塑化和加压过程都在其中进行 .挤出时料筒地压力很高,工作温度一般为 180250,因此料筒是受压和受热地容器,通常由高强度、坚强耐磨和耐腐蚀地合金制成 .料筒外部设有分区加热和冷却地装置；螺杆螺杆挤出机地关键部件；口模和机头机头是口模与料件之间地过渡部分,其长度和外形随所用塑料地种类、制品地势状加热名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 方法及挤出机地大小和类型而定.机头和口模结构地好坏,对制品地产量和质量影响很大.2、氧指数测试仪氧指数测定仪主要组成部分有：燃烧筒、试样夹、流量测定和掌握系统；其他帮助配置有气源、点火器、排烟系统、计时装置等 .燃烧筒燃烧筒是内径为 70-80mm,高 450mm 地耐热玻璃管 .管地下部用直径 3-5mm 地玻璃珠填充,填充高度 100mm.在玻璃珠上方有一金属网,以遮挡塑料燃烧时地滴落物 .试样夹在燃烧筒轴心位置上垂直地夹具试样地构件 .流量测定和掌握系统有压力表、稳固阀、调剂阀、管路和转子流量计等组成 混合后由燃烧筒底部地进气口进入燃烧筒 .点火器.运算后地氧、氮气体经混合气室由装有丁烷地小容器瓶、气阀和内径为 1mm 地金属导管喷嘴组成,当喷嘴处气体点着时其火焰高度为 6-25mm,金属导管能从燃烧筒上方伸入筒内,以点燃试样 .点燃燃烧筒内地试样可采纳顶端点燃法,也可采纳扩散点燃法 .氧指数是指在规定地试验条件下,试 样 在 氧 氮 混 合气 流 中,维 持 平 稳 燃 烧（ 即进行 有 焰 燃 烧）所 需 地 最 低 氧 气 浓度,以氧所占地体积百分数地数值表示（即在该物质引燃后,能保持燃烧 50mm 长或燃烧时间 3min 时所需要地氧、氮混合气体中最低氧地体积百分比浓度）.一般认为, OI<27 地属易燃材料 ,27 OI<32地属可燃材料 ,OI 32 地属难燃材料 .3、万能电子拉力机万能电子拉力机采纳高精度、全数字调速系统及精密减速机,驱动精密丝杠副进行实验,可实现试验速度地大范畴调剂 .技术参数 : 试验力精确度；优于±1% 位移辨论率：0.01mm；位移速度掌握范畴： 1mm/min300mm/min 试验机尺寸：660*420*1780 mm 供电电源： 220V ,50Hz 重量： 300KG 最大试验力： 50KN、冲击试验机摆锤式冲击试验机由以下部分组成：主机身、取摆机构、挂脱摆机构、自动扬摆讯号装置、标度盘、摆锤、防护装置、电气部分组成 .该机最大冲击能量为 300J,并带有 150J 摆锤一个 .所用试样断面为 10×10mm.试验原理是利用摆锤冲击前位能与冲击后所剩位能之差在度盘上显示出来地方式,得到所试验试样地吸取功 . 5、热重分析仪热重分析仪是一种利用热重法检测物质温度-质量变化关系地仪器 .热重法是在程序控温下,测量物质地质量随温度（或时间）地变化关系 .热重分析仪主要由天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分构成 .6、红外光谱分析仪利用红外光谱对物质分子进行地分析和鉴定.将一束不同波长地红外射线照耀到物质地名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 分子上,某些特定波长地红外射线被吸取,形成这一分子地红外吸取光谱 .每种分子都有由其组成和结构打算地独有地红外吸取光谱,据此可以对分子进行结构分析和鉴定 .7、差热扫描量热仪测量地是与材料内部热转变相关地温度、热流地关系；材料地特性,如玻璃化转变温度、冷结晶、相转变、熔融、结晶、产品稳固性、固化描量热仪地讨论领域.: 室温 800 风冷技术参数：温度范畴-50 800 半导体制冷 -100 800 液氮制冷 升温速率 : 180/min 降温速率 :120/min 温度辨论率 : 0.1温度波动 : ±0.18、扫描电镜/交联、氧化诱导期等,都是差示扫扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统,电子束系统以及成像系统 .真空系统：真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分 .真空柱是一个密封地柱形容器 .电子束系统：电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分组成,主要用于产生一束能量分布极窄地、电子能量确定地电子束用以扫描成像 .成像系统：电子经过一系列电磁透镜成束后,打到样品上与样品相互作用,会产生次级电子、背散射电子、欧革电子以及 X 射线等一系列信号 .所以需要不同地探测器譬如次级电子探测器、 X 射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要地信息 .五、性能测试1 氧指数测定氧指数按 GB/T 2406-2022 测试 ,试样尺寸为 DOPO 反应阻燃 PLA 地氧指数100 mm× 10 mm× 1.6 mm；名师归纳总结 当 DOPO 地质量分数为2%时,体系地氧指数达32%,具有阻燃成效；当DOPO 地质量分数第 7 页,共 13 页为 10%时,氧指数达到37%,这说明 DOPO 是 PLA 地有效阻燃剂 .- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - DOPO-HQ/DCP 反应阻燃 PLA 地氧指数明显, DCP 与 DOPO-HQ 并用阻燃 PLA 地氧指数高于未加DCP 体系 ,当 DOPO-HQ 质量分数为 5%时,氧指数达到最大值 .这是由于 DCP 可促进 DOPO-HQ 反应接枝 PLA, 阻燃效果更明显 .比较发觉 ,DOPO-HQ 地阻燃成效较DOPO 差,缘由是 DOPO-HQ 在加工温度下不能熔融 ,混合地匀称程度明显低于DOPO 阻燃体系 ,难以有效阻燃PLA.（2）共混材料地扫描电镜照片 a 未添加硅烷偶联剂地共混材料名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - b 添加硅烷偶联剂地共混材料 图 2 未添加硅烷偶联剂和添加硅烷偶联剂共混材料地扫描电镜照片图 2 可见,如颗粒分散并堆集在聚乳酸基体中,且材料表面高低不平,说明两者地相容 性较差 .共混材料表面微观结构匀称 ,比较光滑平整 ,已经看不到明显地颗粒 ,说明添加了硅烷偶联剂地共混物地相容性有了很大地提高 .（3）差热分析图 3 共混材料 DSC 曲线由图 3 看出,共聚物地存在改善了共混材料地相容性 .（4）力学性能测试名师归纳总结 拉伸强度按GB/T 1040. 3-2006 测试 ,拉伸速度为50 mm/min ；第 9 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 4A 为 DOPO 反应阻燃 PLA 地应力 -应变曲线由图 4A 可知 , PLA 地拉伸强度及断裂伸长率均随 DOPO 含量地增加而下降 .当 DOPO 质量分数为 2%时,材料地力学性能与纯 PLA 相比变化较小 ,拉伸强度约为 50 MPa.但是当DOPO 质量分数达到 5%时 ,材料地力学性能急剧降低而基本失去了有用价值 .DOPO 含量增加导致 PLA 力学性能下降地缘由可能是 DOPO 地酸性将诱导 PLA 降解所致 .5韧性测试图 5B 不同 TPU 用量地 PLA/PU 共混物力学性能名师归纳总结 由图 5Bb 可以看出 ,随着 TPU 用量地增加 ,共混材料地冲击强度显著提高.特殊是当 TPU第 10 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 质量分数为30%时 ,冲击样条仍保留有约12 mm 地宽度不能断裂,共混物地实际断裂冲击强度远大于测试显示值 4017 kJ/m2, 常温下冲击测试机无法将其冲断 .共混物地拉伸和冲击试验结果说明 TPU 不但能够有效提高 PLA 地韧性 ,而且能够保持较高地屈服强度 .（6）热稳固性测试样品质量为 79 mg,在氮气气氛下 气体流量为 100 mL/min 从室温 30开头升温到550,升温速率为 10/min.由图 6a 可知 ,单独使用 DOPO-HQ 对 PLA 热稳固性能地改善成效并不明显 ,甚至试样地起始分解温度略有降低 .由图 6b 可发觉 ,添加 DO-PO-HQ 后试样具有两个失重速率峰 ,即由纯PLA 地一阶失重转变为 DOPO-HQ 和 PLA 地二阶失重 .而 DOPO-HQ/DCP 体系阻燃 PLA 地起始热分解温度及最终热分解温度都有明显提高 ,出现一个失重峰 ,其 T 0 . 05 与 T 0 . 5 和纯 PLA相比分别提高了 38和 36,表现出了良好地热稳固性能 .（7）降解性名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 7 在 HAC-NaAC 缓冲溶液中降解由图 7a 可知 ,酸性缓冲溶液地 pH 值变化不大 ,24 h 后酸性缓冲液地 pH 值开头增大,逐步向中性溶液靠近,这是酸作用引起地 .添加 KH550 及共聚物地降解液 pH 值随时间地变化最小,在酸性环境中地稳固性最好 .（8）红外光谱分析图 8 聚乳酸共混材料地红外光谱图 8 中,在 3000cm-1 邻近显现 CH2 和 CH 吸取峰 ,含共聚物地吸取峰向低波数方向位移；在 1760cm1邻近显现聚乳酸羰基吸取峰,含共聚物地吸取峰较弱且向低波数方向位移,可能是聚乳酸羰基与共聚物及偶联剂发生了键合作用,KH550 作为偶联剂地吸取峰向低波数方向位移地程度相对较大,说明添加 KH550 和共聚物增容剂地共混材料地增容成效最好.六、 成型方法名师归纳总结 对 PLA 地注射成型 ,建议使用热流道系统.另外 ,注射模具也必需设计排气系统,否就残留第 12 页,共 13 页气体会引起PLA 制品地降解 ,不能精确地充模以及其他不良现象等.注射成型工艺条件如下: （1）料温 :料筒温度要设定在PLA 地熔点以上 ,一般在 180200.一般随料筒温度地降低,物料地停留时间延长,由于 PLA 对热特别敏锐 ,高温以及较长时间停留简洁导致PLA 降解 ,所- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 以在详细温度设定时要考虑温度与停留时间地关系,仍要考虑制品和模具地结构特点,可以经过多次调整试验确定正确值 .为了保证顺当喂料 ,喂料段地温度一般尽可能设定在 2025较低温度 ,特殊对于非结晶化处理地 PLA 材料 .螺杆转速要在 100200 r/min, 不能太高 ,否就局部剪切生热严峻也简洁造成 PLA 地降解 .（2）模具温度 :为了提高添加了成核剂地 PLA 材料制品地结晶度 ,往往上升模具温度至105115并且停留一段时间 .七、 产品用途多数 PLA 复合材料性能优异、功能特殊 ,具有优良地生物相容性 ,较好地机械强度、弹性模量和热成型性 ,可用于药物缓释载体、骨折内固定材料、手术缝合线、一次性快餐盒、食品包装袋、农用覆膜、服装纤维等医用和工农业领域 ,是一类重要地绿色可降解材料 .八、 展望 PLA 从可再生资源如淀粉中生产,有利于削减人类对石油资源地依靠性；由于中国是农业名师归纳总结 大国 ,中国每年库存玉M 达三千多万 ,假如用于生产聚乳酸,形成 /玉 M- 乳酸 -聚乳酸 -共聚共混第 13 页,共 13 页物-各种应用制品地产业链,将会促进农业产业化,大大提高玉M 价格 ,提高农夫收益 .并且聚乳酸在人体和自然环境中均可降解,其降解产物 乳酸及其低聚物对人体和自然环境地毒性很低 .随着人们对环保地日益重视,以及 PLA 应用领域地不断开发, PLA 有望大规模工业化生产并成为 21 世纪重要材料之一.- - 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