Coumarin-DPPO a new bio-based phosphorus additive for poly(lactic acid): Processing and flame retardant application
Résumé
This study addresses very important aspects of the sustainable development of new
flame retardant materials: (i) the preparation of a novel flame retardant (FR) additive from
bio-resource, (ii) its use as FR additive in poly(lactic acid) (PLA) based composites and, (iii) the
in vitro toxicity assessment of the FR. The synthesis of this bio-based FR additive was achieved
through a phospha-Michael addition of diphenylphosphine oxide (DPPO) and the naturally
occurring compound coumarin, yielding 4-(diphenylphosphoryl)chroman-2-one (CU-DPPO).
The flame-retarded CUDPPO PLA composites were prepared either via conventional melt
blending of commercially available PLA or through reactive extrusion (REX) of L-lactide.
Characterization of the composites was performed through nuclear magnetic resonance
(NMR), size exclusion chromatography (SEC) and thermogravimetric analysis (TGA). TGA
analysis of the FR-PLA composites showed an increase in thermal stability, confirming the
beneficial effect of the CU-DPPO additive. Direct insertion probe mass spectrometry (DIP MS) analysis was used to gain insight on the mechanism of action of the FR additive,
suggesting gas-phase activity. Rheological measurements exhibited the thermo-oxidative
stabilizing effect in the modified PLA. The flame retardancy of the melt-blended PLA
composites with CU-DPPO was investigated by limited oxygen index (LOI), cone calorimetry
and vertical burning tests (UL 94 and BKZ-VB). Samples containing 10 wt.% of CU-DPPO
showed improved fire performance with a limiting oxygen index (LOI) of 29 %, passing Swiss
vertical burning test (BKZ-VB) and obtaining a V-0 rating in the UL 94 test. Moreover, a
preliminary toxicity assessment of the CU-DPPO, carried out using an established in vitro
platform, showing no adverse effects on cell viability
Cette étude aborde des aspects très importants du développement durable de nouveaux matériaux ignifuges : (i) la préparation d'un nouvel additif ignifugeant à partir de ressources biologiques, (ii) son utilisation comme additif ignifuge dans des composites à base de poly(acide lactique) (PLA) et (iii) l'évaluation de la toxicité in vitro de l'additif ignifuge. La synthèse de cet additif FR d'origine biologique a été réalisée par une addition phospha-Michael de l'oxyde de diphénylphosphine (DPPO) et de la coumarine, composé naturel, produisant la 4-(diphénylphosphoryl)chroman-2-one (CU-DPPO). Les composites PLA CUDPPO ignifugés ont été préparés soit par mélange à l'état fondu conventionnel de PLA disponible dans le commerce, soit par extrusion réactive (REX) de L-lactide. La caractérisation des composites a été réalisée par résonance magnétique nucléaire (RMN), chromatographie d'exclusion de taille (SEC) et analyse thermogravimétrique (ATG). L'analyse TGA des composites FR-PLA a montré une augmentation de la stabilité thermique, confirmant l'effet bénéfique de l'additif CU-DPPO. L'analyse par spectrométrie de masse à sonde d'insertion directe (DIPMS) a été utilisée pour mieux comprendre le mécanisme d'action de l'additif FR, suggérant une activité en phase gazeuse. Les mesures rhéologiques ont mis en évidence l'effet stabilisateur thermo-oxydant du PLA modifié. La résistance aux flammes des composites PLA mélangés à l'état fondu avec du CU-DPPO a été étudiée par l'indice limite d'oxygène (LOI), la calorimétrie conique et les tests de combustion verticale (UL 94 et BKZ-VB). Les échantillons contenant 10 % en masse de CU-DPPO ont montré une meilleure performance au feu avec un indice limite d'oxygène (LOI) de 29 %, réussissant le test suisse de combustion verticale (BKZ-VB) et obtenant un classement V-0 dans le test UL 94. En outre, une évaluation préliminaire de la toxicité du CU-DPPO, réalisée à l'aide d'une plate-forme in vitro bien établie, n'a révélé aucun effet négatif sur la viabilité des cellules.