Achieving simultaneous flame retardancy and mechanical reinforcement in PLA via PAPP/La 2 O 3 synergistic catalysis and uniaxial pre-stretching

Plastic is overal aanwezig, van de voedselcontainers die we dagelijks gebruiken tot de behuizingen van onze elektronische apparaten. Decennialang vertrouwde de industrie op op aardolie gebaseerde plastics, maar een groeiend bewustzijn van milieuschade en een verlangen om afval te verminderen, hebben de aandacht verschoven naar bio-gebaseerde alternatieven. Een dergelijk materiaal is polylactide, vaak PLA genoemd. Het wordt gemaakt van hernieuwbare bronnen zoals maïs en aardappelen, en in tegenstelling tot traditionele plastics kan het worden afgebroken tot onschadelijke natuurlijke componenten. Dit maakt het een sterke kandidaat voor een groenere toekomst. Echter, dit veelbelovende materiaal heeft een aanzienlijk gebrek dat voorkomt dat het overal voor gebruikt kan worden: het brandt te gemakkelijk. Wanneer PLA vlam vat, smelt het tot een hete, dunne vloeistof die druppelt en de vlammen snel verspreidt, wat gevaarlijk is voor toepassingen zoals elektronica of bouwmaterialen. Om PLA bruikbaar te maken, moeten wetenschappers een manier vinden om te voorkomen dat het brandt zonder het bros of zwak te maken, een moeilijke balans die onderzoekers al lang uitdaagt.

In een recente studie pakte een team wetenschappers van instellingen uit China dit probleem aan door twee verschillende benaderingen te combineren: een chemisch mengsel ontworpen om brand te stoppen en een fysiek proces ontworpen om het materiaal te versterken. Ze concentreerden zich op een specifiek type brandvertragend middel genaamd piperazinepyrofosfaat, of PAPP. Deze stof werkt door een beschermende laag te creëren wanneer deze wordt verhit, maar op zichzelf vereist het vaak grote hoeveelheden om effectief te zijn, wat de plastic kan verzwakken. Om dit op te lossen, voegden de onderzoekers een kleine hoeveelheid nano-lanthaanoxide toe, een verbinding van een zeldzaam aardmetaal, om als katalysator te fungeren. Denk aan dit metaal als een gespecialiseerd hulpmiddel dat helpt de brandvertrager veel efficiënter te laten werken, waardoor het team minder van het middel kan gebruiken terwijl ze betere resultaten behalen. Ze mengden deze ingrediënten in PLA en onderwierpen de resulterende vellen vervolgens aan een specifieke fysieke behandeling: het uit elkaar trekken in één richting terwijl ze warm waren. Dit proces, bekend als uniaxiale voorverrekking, was bedoeld om de interne structuur van de plasticmoleculen te herschikken.

De resultaten van deze dubbele strategie waren opmerkelijk. Wanneer de onderzoekers het nieuwe materiaal testten, ontdekten ze dat de combinatie van de chemische additieven en het rekproces zowel de brand- als de sterkteproblemen tegelijkertijd oploste. Een monster met dertien procent van het brandvertragende middel en twee procent van de metaalkatalysator behaalde een V-0 beoordeling in een standaard verticale brandtest, wat betekent dat het bijna onmiddellijk stopte met branden nadat de vlam werd verwijderd. Dit was een enorme verbetering ten opzichte van puur PLA, dat de test geheel niet doorstond. In een strengere simulatie van een echte brand gaf het nieuwe materiaal minder dan de helft van de hitte af van de pure plastic. Specifiek daalde de totale vrijgekomen hitte van bijna tachtig eenheden naar net onder de achttentachtig, en de piek van de snelheid waarmee hitte werd vrijgegeven, werd met meer dan de helft verminderd. Het materiaal produceerde ook aanzienlijk minder rook, een cruciale factor voor brandveiligheid.

Om te begrijpen waarom dit werkte, onderzocht het team de resten van het materiaal nadat het was verbrand. Puur PLA liet bijna geen residu achter, waardoor er geen bescherming tegen het vuur was. De monsters met alleen het brandvertragende middel lieten een verkoolde laag achter, maar deze was los en vol gaten, waardoor hitte en zuurstof erdoorheen konden passeren. De monsters die echter de nano-lanthaanoxide bevatten, vormden een dichte, continue koolstoflaag. Deze laag was niet alleen een barrière; het was zeer georganiseerd op moleculair niveau, vergelijkbaar met een structuur die veel stabieler en hittebestendiger is. De metaalkatalysator hielp de brandvertrager om deze hoogwaardige schild te creëren, die hitte en zuurstof effectief blokkeerde van de plastic eronder. Daarnaast veroorzaakte de chemische reactie gassen die de chemische kettingreactie van het vuur verstoorden, waardoor de verbranding verder werd vertraagd.

Misschien wel even belangrijk als de brandveiligheid was de verandering in het fysieke gedrag van het materiaal. Vóór de rekbehandeling was de brandvertragende plastic bros; het zou gemakkelijk breken als het gebogen werd, een veelvoorkomend probleem bij het toevoegen van vulstoffen aan plastic. Maar nadat de onderzoekers de vellen tot zestig graden Celsius verwarmden en ze rekten, transformeerde het materiaal. Het werd flexibel en taai. De mate waarin het materiaal kon rekken voordat het brak, nam spectaculair toe, van minder dan vijf procent naar meer dan tachtig procent. Tegelijkertijd nam het vermogen om weerstand te bieden tegen het uit elkaar trekken daadwerkelijk toe, van ongeveer fifty-four naar bijna zesentachtig eenheden van sterkte. Dit gebeurde omdat het rekproces de strak geknoopte moleculaire ketens binnen de plastic ontwarde, waardoor ze konden uitlijnen en vrijer konden bewegen wanneer er kracht werd uitgeoefend.

De studie concludeert dat deze methode een praktisch pad biedt voor het gebruik van PLA in veeleisende toepassingen. Door een zeldzaam aardmetaal te gebruiken om de efficiëntie van een brandvertrager te verhogen en vervolgens het materiaal fysiek te rekken om de taaiheid te herstellen, creëerden de onderzoekers een plastic dat zowel veilig is tegen brand als sterk genoeg is om spanningen te weerstaan. De bevindingen suggereren dat het mogelijk is om de traditionele afruil te overwinnen waarbij het veiliger maken van een plastic het zwakker maakt. Deze aanpak zou de deur kunnen openen voor het gebruik van biologisch afbreekbare plastics in verpakkingen, elektronica en transport, gebieden waar brandveiligheid en duurzaamheid niet onderhandelbare vereisten zijn.