植酸-三聚氰胺改性微晶纤维素协同增强聚乳酸复合材料的阻燃性能与结晶特性

本研究针对聚乳酸(PLA)易燃且机械性能受限的瓶颈问题，通过化学修饰微晶纤维素(MCC)构建了生物基阻燃剂MCC-GMA-PA-MEL。该复合材料使PLA结晶度提升至35.9%，极限氧指数(LOI)达25.7%并通过UL-94 V-0级测试，热释放率(pHRR)降低15.7%，同时保持力学性能，为生物可降解材料提供了环保型阻燃解决方案。

　　

随着环境问题日益严峻和石油资源枯竭，生物可降解材料聚乳酸(PLA)因其优异的透明度、生物相容性和机械强度，在医药、包装等领域广泛应用。然而，PLA的易燃性和脆性严重制约其发展。传统磷氮(P?N)阻燃剂虽能提升阻燃性，却往往牺牲力学性能，这一矛盾亟待解决。

新疆兵团"天山英才"计划支持的研究团队创新性地将天然植酸(PA)和三聚氰胺(MEL)接枝到微晶纤维素(MCC)骨架上，开发出多功能阻燃剂MCC-GMA-PA-MEL。通过熔融共混技术制备的PLA复合材料，在《Carbohydrate Polymers》发表的研究成果显示：该材料不仅保持纯PLA的力学性能，更使结晶度提升至35.9%，燃烧时形成致密炭层，极限氧指数(LOI)达25.7%并通过UL-94 V-0级认证，热释放率(pHRR)降低15.7%，总热释放(THR)下降4.1%，实现了阻燃-力学性能的协同优化。

研究采用¹³C固态核磁共振(¹³C NMR)和X射线光电子能谱(XPS)验证化学修饰效果，通过热重分析(TGA)和锥形量热(CCT)评估热稳定性，结合极限氧指数(LOI)和UL-94垂直燃烧测试阻燃性能，并利用万能试验机检测力学特性。

【结构表征】
¹³C NMR谱图显示MCC在107 ppm(C1)和64-69 ppm(C6)的特征峰，经GMA修饰后新增174 ppm酯羰基信号。PA接枝后出现75 ppm新峰，证实磷酸酯键形成，XPS则检测到P2p特征峰(133.5 eV)，氮含量从0%增至8.07%，验证了MEL的成功引入。

【性能分析】
TGA显示MCC-GMA-PA-MEL的残炭率较纯MCC提升293%，证明其促炭化能力。PLA复合材料的LOI从19.1%提升至25.7%，UL-94测试中3秒内自熄且无熔滴。锥形量热显示点火时间延长，pHRR从512.3 kW/m²降至431.6 kW/m²，炭层膨胀系数达4.8，有效阻隔热量传递。

【机械性能】
拉伸测试表明，含10 wt% MCC-GMA-PA-MEL的PLA复合材料拉伸强度保持56.3 MPa，与纯PLA(58.7 MPa)相当，断裂伸长率甚至略有提升，克服了传统阻燃剂导致力学性能下降的缺陷。

该研究开创性地将生物基材料MCC、PA和MEL通过分子设计整合，证实了化学修饰纤维素在PLA阻燃改性中的双重作用：既作为异相成核点提升结晶度，又通过磷?氮协同效应实现气相-凝聚相双重阻燃。特别值得注意的是，改性后的MCC与PLA界面相容性良好，避免了纳米填料常见的团聚问题。研究成果为开发兼具优异阻燃性和力学性能的生物可降解材料提供了新思路，对推动绿色材料在医疗器械、电子器件等高端领域的应用具有重要意义。