石油基高分子材料的大量使用和堆积给人类生存环境造成了不可忽视的负面影响，因此开发高性能的可生物降解聚乳酸（Polylactic acid, PLA）材料具有重要意义。PLA是一种从玉米、甜菜等作物中提取的脂肪族聚酯，具有良好的生物降解性、生物相容性和优异的机械性能等优点，已成为最具有发展前景的可生物降解材料之一。然而，PLA固有的脆性、易燃性和在燃烧过程中明显的熔滴效应，极大地限制了其在汽车工业、电子电器等工程领域中的应用。因此，有效提高PLA的力学和阻燃性能，并降低其在燃烧过程中熔滴的潜在风险，是扩大PLA应用的关键。

文章要点

本工作以单宁酸（Tannic acid, TA）为模板，六氯环三磷腈（Hexachlorocyclotriphosphazene, HCCP）和4,4’-二羟基二苯酚（4,4'-Sulfonyldiphenol, BPS）为共聚单体，制备了聚磷腈纳米粒子（HCCP-TA-BPS, HTB），并将其与聚磷酸铵（Ammonium polyphosphate, APP）一起引入PLA制备复合材料。研究发现，HTB与PLA基体和APP之间原位形成了氢键，从而显著改善复合材料的界面粘结强度，促进APP在复合材料中的均匀分散并形成APP网络。阻燃性能测试表明，在PLA中加入10 wt% APP和5 wt% HTB，使PLA的极限氧指数（LOI）提高到31.0%，并达到UL-94 V-0等级，同时复合材料的放热率峰值（PHRR）和总放热量（THR）比纯PLA降低了14.2%和13.2%。特别是复合材料在燃烧过程中几乎没有熔滴的出现，这与PLA/20 wt% APP复合材料（V-2等级）的燃烧行为有明显的不同。此外，APP分散性的改善以及其与PLA基体界面粘结强度的提高显著改善了复合材料的力学性能，与PLA相比，复合材料的断裂伸长率、杨氏模量和冲击强度分别提高了52.9%、7.6%和24.2%。本研究为协同改善PLA复合材料的阻燃性能和力学性能提供了新的见解。

图文展示

图1： HTB纳米颗粒的表征。(a, b) SEM图像；(c) 对应粒度统计分布图；(d) EDS图；(e) EDS元素含量；(f) FTIR光谱；(g) APP、HTB及其组分的TGA曲线；(h) HTB合成图。

图2：(a) HTB@APP的SEM图像；(b) 复合材料低温脆断SEM图像；(c) HTB、APP和HTB@APP的FTIR光谱；(d) PLA及其复合材料羰基特征峰的FTIR-ATR光谱；(e) PLA复合材料中多个氢键相互作用示意图。

图3：PLA及其复合材料的流变行为。(a) 复数粘度；(b) 储存模量；(c) 损失模量。

图4：(a) PLA及其复合材料的TGA曲线；(b) PLA及其复合材料的DTG曲线。测试环境在氮气气氛进行。

图5：锥形量热测试结果：(a) 放热率；(b) 总放热和 (c)质量损失曲线；(d，e) 锥形量热测试后，PLA和PLA5HTB10APP炭层的数码照片以及 (e，h) SEM图像；(f) PLA和(i) PLA5HTB10APP样品燃烧后炭层高度的数码照片。

图6：(a) 纯PLA和(b) PLA5HTB10APP样品残炭的EDS光谱。残炭的XPS高分辨率光谱：(c) C1s；(d) O1s；(e) P2p。

图7：(a) PLA，(b) PLA5HTB10APP的TG-IR光谱；(c) PLA5HTB10APP在不同温度下热分解产物的红外光谱曲线；PLA和PLA5HTB10APP热分解产物的吸收光谱：(d) 总吸收；(e) 羰基化合物；(f) 一氧化碳；(g) 碳氢化合物。

图8：复合材料的阻燃机理图。

图9：(a，b) PLA及其复合材料的拉伸应力-应变曲线和 (c) 缺口冲击强度。PLA及其复合材料的机械性能 (d) 拉伸强度、(e) 断裂伸长率和 (f) 杨氏模量。

图10：在不同放大倍数下获得的拉伸样品断裂面的SEM图像：(a-c) PLA15APP样品和 (d-f) PLA5HTB10APP样品。

综上，本工作以“Synchronously enhanced flame retardancy and mechanical properties of polylactic acid via in-situ assembly of polyphosphazene nanoparticles on ammonium polyphosphate”为题发表在化工领域国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》（IF: 13.3，中科院工程技术大类1区）。论文的第一作者为西南交通大学2022级硕士生陈伟航，通讯作者为西南交通大学化学学院孙得翔老师和王勇教授。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156361

孙得翔，助理教授，硕士生导师，主要从事高分子及其共混物复合材料的高性能化和功能化研究；主持四川省科技厅重点研发项目、中国博士后科学基金面上资助项目等项目3项；以第一作者/通讯作者在Chemical Engineering Journal、Composites Science and Technology、Biomacromolecules等国际知名期刊发表SCI论文12篇；授权国家发明专利1项；入选2023年西南交通大学“青苗计划”。

王勇，教授、博士生导师、德国洪堡学者，主要从事结构/功能一体化先进高分子复合材料的研究。主持国家自然科学基金(6项)、教育部新世纪优秀人才基金、四川省青年科技创新团队、四川省科技厅重大成果转化项目、四川省杰出青年基金等项目30余项；在Prog. Poly. Sci.、Macromolecules等期刊发表论文300余篇，他引9000余次，其中ESI高被引论文4篇，期刊年度热点论文1篇；授权国家发明专利24项；研究成果获得2021年度四川省技术发明二等奖、2018年度四川省自然科学二等奖、2006年度全国百篇优秀博士论文提名论文等；多次入选全球前2%顶尖科学家榜单。