一种生物基阻燃PBS塑料及其制备方法

技术领域

本发明属于阻燃塑料技术领域，具体涉及一种纯生物基阻燃PBS塑料及其制备方法。

背景技术

聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是具有良好可生物降解性能的聚合物，与聚乳酸、聚羟基烷酸酯、聚己内酯等可生物降解塑料相比，PBS价格相对较低，力学性能优异，耐热性能好，热变形温度接近100℃，是国内外在生物降解塑料研发方面的重点。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)可以用做垃圾袋、包装袋、化妆品瓶、各种塑料卡片、婴儿尿布、农用材料及药物缓释载体基质等。但是，PBS的易燃性对它在许多重要领域的应用和发展都具有很大的局限性。

此外，随着人类文明的进步以及生活水平的提高，对环境问题提出了更高的要求。目前，大部分阻燃塑料的环境问题亟待解决，或同时存在阻燃性能较低、制备方法较为困难等问题。如：专利CN110408162A将含溴阻燃剂和含磷阻燃剂协同使用，虽然具有较好的阻燃性能，但含溴阻燃剂在阻燃过程中易产生有毒物质，增加火灾救援难度，降低人员生存率；专利CN106987081A中所制备的复合塑料虽然不含卤素，但其极限氧指数较低，且操作繁琐；专利CN109054294A和专利CN109135095A中，使用了包括润滑剂、阻燃协效剂、固化剂在内的多种添加剂，且大部分添加剂无法回收利用，容易造成生态问题，且制备工艺较为复杂，制备条件较为严苛，不易推广。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种纯生物基PBS阻燃塑料，利用腺嘌呤核苷三磷酸和植酸反应所得产物对聚丁二酸丁二醇酯进行复合改性，可有效提高聚丁二酸丁二醇酯的阻燃性能和耐寒性能，且涉及的制备方法简单、原料来源广，具有纯生物基组成特性，可为高阻燃环保型PBS塑料的制备提供一条全新思路。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种纯生物基PBS阻燃塑料，它以纯生物基P-N阻燃剂和聚丁二酸丁二醇酯为原料，通过双螺杆挤出而成，所述纯生物基P-N阻燃剂以腺嘌呤核苷三磷酸和植酸为主要原料进行反应得到。

上述方案中，所述纯生物基P-N阻燃剂的制备方法包括如下步骤：将腺嘌呤核苷三磷酸和植酸溶于水中，在保护气氛下进行搅拌反应，烘干后即得所述纯生物基P-N阻燃剂。

上述方案中，所述腺嘌呤核苷三磷酸与植酸的摩尔比为(1～6.5):1。

上述方案中，所述搅拌反应温度为室温条件，时间为10～60min；搅拌速率为100～400rpm。

上述方案中，所述烘干温度为40～80℃。

上述一种纯生物基PBS阻燃塑料的制备方法，具体包括如下步骤：将纯生物基阻燃剂和PBS按比例进行混合，然后至于双螺杆挤出机中，在双螺杆挤出机的作用下进行混料、挤出、造粒得所述PBS阻燃塑料。

上述方案中，所述纯生物基阻燃剂与PBS的质量比为(1～50):(50～99)。

优选的，所述纯生物基阻燃剂和PBS的质量比为(5～7):(93～95)；针对单位用量的PBS，在低阻燃剂掺量的条件下即可实现优异的阻燃性能并可兼顾良好的力学性能，同时对环境保护起到积极作用。

优选的，所述纯生物基阻燃剂和PBS的质量比为(12～16):(84～88)；在保证PBS基材料力学性能的基础上，能够显著提升所得PBS制品的阻燃性能(极限氧指数可达32％左右)；可为高性能PBS阻燃环保材料的制备及其性能的进一步优化提供一定研究基础。

上述方案中，所述挤出温度为80～110℃，挤出压力为10～20Mpa。

本发明的原理为：

本发明首先以生物基植酸和腺嘌呤核苷三磷酸为原料，将二者在水溶液条件下进行离子反应，所得产物中的嘌呤基团不仅可以提高复合材料燃烧中的气相抑制作用，同时其刚性结构能够有效提升复合材料的玻璃化转变温度，使其能应用于更高温度的使用场景；此外核糖基团可在含磷基团的作用下，可促进形成更多的炭层，抑制热量与基体的交换；将生物基植酸和腺嘌呤核苷三磷酸反应所得产物应用于制备PBS阻燃塑料，能够有效提高复合材料的综合使用性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)植酸和腺嘌呤核苷三磷酸具有较高的磷-氧态可以促进固化阻燃效应，提高成炭效果，抑制基体与热氧之间的交换；此外，腺嘌呤核苷三磷酸中较高的含氮量可以促进气相阻燃效应，在燃烧过程中可以形成氮气等不燃气体，降低可燃气体的浓度，抑制燃烧反应的持续进行；腺嘌呤核苷三磷酸和植酸同时能发挥较好的气相及凝聚相阻燃效应，从而在发挥优异的阻燃性能。

2)本发明采用的三种原料均为生物基原料，对环保及促进碳中和有良好的促进作用。

3)本发明利用两种纯生物基的原料制备环保型复合阻燃剂，并将其应用于制备生物基PBS塑料制品，无需引入其他添加剂，并可显著提升所得PBS塑料制品的阻燃性能，并同时兼顾PBS塑料制品的综合使用性能，可为高阻燃环保性PBS塑料的制备提供一条全新思路。

4)在保证所得PBS制品基本使用性能的基础上，本发明可进一步增大填料量，并显著提升其阻燃性能，可为高性能PBS阻燃环保材料的制备及其性能的进一步优化提供一定研究基础。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，采用的PBS原料源自泰国PTT公司。

以下实施例中所使用的原料均按质量份计。

实施例1

一种纯生物基PBS阻燃塑料，其制备方法包括如下步骤：

1)0.9份PBS阻燃塑料溶于50份水中，加入4.1份腺嘌呤核苷三磷酸，在氮气气氛、室温条件及100rpm下搅拌反应30min，旋蒸除水，在60℃下干燥6h，得纯生物基阻燃剂；

2)将5份所得纯生物基阻燃剂和95份PBS进行搅拌混合后投入双螺杆挤出机中，在100℃及15MPa作用下通过挤出造粒得到1*2mm(r*h)圆柱状的纯生物基阻燃PBS塑料；最后将所得粒料投入立式注塑机中以获得不同的测试样条。

实施例2

一种纯生物基PBS阻燃塑料，其制备方法包括如下步骤：

1)1.34份植酸溶于50份水中，加入6.16份腺嘌呤核苷三磷酸，在氮气气氛、室温条件及100rpm下搅拌反应30min，旋蒸除水，在60℃下干燥6h，得纯生物基阻燃剂；

2)将7.5份所得纯生物基阻燃剂和92.5份PBS进行简单搅拌混合后投入双螺杆挤出机中，在100℃及15MPa作用下通过挤出造粒得到1*2mm(r*h)圆柱状的纯生物基阻燃PBS塑料；最后将所得粒料投入立式注塑机中以获得不同的测试样条。

实施例3

一种纯生物基PBS阻燃塑料，其制备方法包括如下步骤：

1)1.79份植酸溶于50份水中，加入8.21份腺嘌呤核苷三磷酸，在氮气气氛、和室温条件下及，100rpm下搅拌反应30min，旋蒸除水，在60℃下干燥6h，得纯生物基阻燃剂；

2)将10份所得纯生物基阻燃剂和90份PBS进行简单搅拌混合后投入双螺杆挤出机中，在100℃及15MPa作用下通过挤出造粒得到1*2mm(r*h)圆柱状的通过造粒得到所述纯生物基阻燃PBS塑料；最后将所得粒料投入立式注塑机中以获得不同的测试样条。

实施例4

一种纯生物基PBS阻燃塑料，其制备方法包括如下步骤：

1)2.68份植酸溶于50份水中，加入12.32份腺嘌呤核苷三磷酸，在氮气气氛、和室温条件下及，100rpm下搅拌反应30min，旋蒸除水，在60℃下干燥6h，得纯生物基阻燃剂；

2)将15份所得纯生物基阻燃剂和85份PBS进行简单搅拌混合后投入双螺杆挤出机中，在100℃及15MPa作用下通过挤出造粒得到1*2mm(r*h)圆柱状的通过造粒得到所述纯生物基阻燃PBS塑料；最后将所得粒料投入立式注塑机中以获得不同的测试样条。

对比例1

将5份植酸和95份PBS进行搅拌混合后投入双螺杆挤出机中，在100℃及15MPa作用下通过挤出造粒得到1*2mm(r*h)圆柱状的通过造粒得到阻燃PBS塑料；最后将所得粒料投入立式注塑机中以获得不同的测试样条。

对比例2

将0.9份植酸和4.1份腺嘌呤核苷三磷酸及95份PBS进行简单搅拌混合后投入双螺杆挤出机中，在100℃和15MPa作用下通过挤出造粒得到1*2mm(r*h)圆柱状的通过造粒得到阻燃PBS塑料；最后将所得粒料投入立式注塑机中以获得不同的测试样条。

将实施例1～5和对比例1～3所得PBS制品分别进行力学性能和阻燃性能等测试，结果见表1。其中耐寒测试步骤包括：将所得测试样条在温度为-40℃环境中，放置72h后取出，然后在常湿常温环境中放置2h，测试其物理变化；降解率的测试条件为在堆肥条件下测试其60天的降解率。

表1实施例1～4和对比例1～2所得PBS塑料的性能测试结果

上述结果表明，本发明所得纯生物基阻燃剂可显著提升PBS塑料制品的阻燃性能，尤其在纯生物基阻燃剂5wt％左右的低掺量条件下，在保证所得PBS产品良好力学性能的基础上，即可表现出优异的阻燃性能，并且保证了良好的降解率；在保证PBS产品使用性能(力学性能)的基础上，可进一步有效提升阻燃剂填料的掺量，进而显著提升所得PBS产品的阻燃性能，对扩大纯生物基PBS产品的应用有重要意义；此外，在相同添加量的条件下，仅仅通过简单混合三种原料所得到的PBS复合塑料的燃烧性能明显低于经过化学反应后的PBS塑料，说明经本发明反应所得纯生物基阻燃剂可有效改善PBS塑料的综合使用性能。

上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。