三聚氰胺聚磷酸盐与磷酸化微藻在聚乳酸生物复合材料中的协同阻燃效应：可持续策略与性能优化

本综述系统探讨了利用废水富集的磷酸化微藻（P-Algae）部分替代商业阻燃剂三聚氰胺聚磷酸盐（MPP）在聚乳酸（PLA）复合材料中的应用。研究发现，当MPP与P-Algae以1:1比例复配时，表现出显著的协同阻燃效应，超越单一组分的叠加效果。通过热重分析（TGA）、热解燃烧流量热仪（PCFC）、锥形量热仪、极限氧指数（LOI）、UL-94测试及流变学测量等多维度表征，证实该生物材料可显著提升PLA的阻燃性能。在维持UL-94 V-0评级的同时，峰值热释放率（pHRR）降低17%，为开发可持续阻燃系统提供了创新路径。

　　

引言

环境问题推动生物聚合物作为传统塑料的替代品，其中聚乳酸（PLA）因其可持续性和多功能性成为代表性生物聚合物，2023年全球产量达218万吨，占塑料总产量1%。然而，PLA固有的易燃性限制了其在防火敏感领域的应用，亟需有效的阻燃策略。商业阻燃剂如三聚氰胺聚磷酸盐（MPP）可通过促进膨胀形成保护性炭层并释放不可燃气体，但完全依赖合成阻燃剂不符合可持续发展需求。非植物源生物废弃物如废水富集的磷酸化微藻（P-Algae）具有不竞争粮食资源、低碳足迹、快速生长及促进磷循环等优势，其生化组成（富含碳水化合物、蛋白质和脂质）可通过热化学转化优化阻燃行为。

实验设计

研究采用注射成型级PLA颗粒，与不同比例的MPP和P-Algae复配，总阻燃剂含量固定为10 wt.%。具体配方包括：PLA_MPP_10%、PLA_MPP_5%/P-Algae_5%、PLA_MPP_2.5%/P-Algae_7.5%及PLA_P-Algae_10%。通过双螺杆微复合机在170–175°C下加工，制备符合ISO 527-2标准的狗骨试样。力学性能测试显示，随P-Algae含量增加，夏比冲击强度和断裂拉伸强度下降，但PLA_MPP_5%/P-Algae_5%性能与PLA_MPP_10%相近，表明该比例具有应用潜力。

热分解与气相产物分析

热重分析（TGA）表明，所有含填料的复合材料均降低PLA的热稳定性，5%质量损失温度（T_5%）下降最多达25°C，最大质量损失温度（T_max）降低约10°C。PLA_MPP_2.5%/P-Algae_7.5%表现出最低分解速率和最高残炭量（7.0 wt.%），凸显协同作用。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，P-Algae复合材料中烃类（2907–2640 cm^?1）和CO峰强度降低，且出现磷酸酯的C–O–P信号（1060 cm^?1），而MPP复合材料在T_max前释放氨气，证实气相机理参与阻燃。

燃烧行为评估

热解燃烧流流量热仪（PCFC）测试中，PLA_MPP_2.5%/P-Algae_7.5%的峰值热释放率（pHRR）降低34%，火势增长能力（FGC）下降36%，显著优于线性叠加预测。锥形量热仪结果显示，混合填料复合材料（如PLA_MPP_5%/P-Algae_5%）的pHRR降低16.4%，而单一填料体系（PLA_MPP_10%或PLA_P-Algae_10%）与纯PLA相近（704–709 kW m^?2）。扫描电镜（SEM）揭示，MPP促进玻璃状多孔炭层形成，P-Algae则产生海绵状结构，混合体系炭层更致密连贯，有效抑制热质传递。

残炭形态与阻燃机理

火灾残炭的SEM图像显示，PLA_MPP_10%形成近乎完整的炭层（孔隙约3 μm），而PLA_P-Algae_10%残炭破碎且呈粉末状。混合体系（如PLA_MPP_5%/P-Algae_5%）炭层具有更高完整性，解释了其优异的阻燃性能。协同效应源于MPP的气相稀释（释放氨气）和P-Algae的凝相机理（促进炭化），共同降低可燃挥发物释放并增强热绝缘。

小火反应与流变行为

极限氧指数（LOI）和UL-94测试表明，PLA_MPP_10%和PLA_MPP_5%/P-Algae_5%获V-0评级（LOI分别为27.4 vol.%和24.6 vol.%），而高P-Algae含量样品因熔滴点燃棉絮仅获V-2。流变学分析发现，P-Algae提高复合材料熔体粘度，但UL-94测试中收集的熔滴粘度显著降低。PLA_MPP_10%熔滴粘度降幅最小（4–5倍），与V-0评级相关，证实部分分解材料的流变特性直接影响 flammability。

结论

本研究证实MPP与P-Algae在PLA中具有显著协同阻燃效应，部分替代MPP可提升环保性且不牺牲性能。最佳配比（PLA_MPP_5%/P-Algae_5%）在维持V-0评级的同时降低pHRR，为开发生物质衍生阻燃剂提供了实践依据。未来工作需深入解析混合体系的多尺度相互作用机制，以优化其在聚合物工程中的应用潜力。