本发明属于阻燃剂，更具体的说是涉及一种生物基阻燃剂及其制备方法和应用。
背景技术：
1、随着环境问题的日益增多，生物基材料受到了广泛的关注。其中，聚乳酸(pla)因其良好的机械性能和生物降解性，已成为食品包装、农用薄膜、汽车内饰等领域最有前景的生物材料之一。然而，pla高度易燃，且由于其少支链的结构，在燃烧时容易发生软化现象，熔体易流动、易滴落，从而导致二次灾害，这极大地限制了其在阻燃要求高的工业中的实际应用，因此对pla的阻燃改性十分重要。
2、目前，对于pla的阻燃改性大多为物理添加型，即将阻燃剂与pla熔融机械共混得到阻燃pla复合材料。目前常用的阻燃剂包括卤系、无机和膨胀型阻燃剂。然而在实际生产中，这三类阻燃剂都存在着添加量大或产生有毒物质的问题，如无机阻燃剂虽然无毒，但在pla中添加量大，对pla的力学性能损害大，限制了应用。有机阻燃剂特别是磷系阻燃剂虽然阻燃效率高、添加量低，但在燃烧时通常以熔滴的方式耗散热量，而这种耗散热量的方式依然存在引起火灾的风险。除此之外这些阻燃剂原料大多数来源于非可再生的石油，严重影响了pla的环保绿色发展。
3、近年来，学者尝试引入含氮磷和过渡金属元素协同阻燃体系制备环保阻燃剂。中国发明专利cn102153586a公开了含磷、氮及过渡金属元素类化合物及其制备方法，该发明制备了一种含磷、氮和过渡金属的配位化合物阻燃剂，能有效提升聚合物的成炭性能，从而延缓聚合物的燃烧，具有较好的阻燃效果。但其高熔点的特性使其不能均匀地分散在pla基体内，将会导致力学性能的下降，此外该阻燃剂不能使pla达到抗熔滴阻燃。
4、因此，如何提供一种兼具优异力学性能和高效抗熔滴阻燃的生物基阻燃剂及其制备方法和应用，是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
1、为了克服现有技术中的缺点和不足，本发明提供了一种生物基阻燃剂及其制备方法和应用。
2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种生物基阻燃剂，所述生物基阻燃剂的结构如式(i)所示：
4、
5、其中：
6、a为铝离子、镁离子、钙离子、锌离子中的一种；
7、b为生物质碱性氨基酸；
8、r为所述生物质碱性氨基酸中除端基外的链结构。
9、优选的，b为组氨酸、赖氨酸、精氨酸中的一种。
10、进一步优选的，b为精氨酸。
11、上述技术方案的有益效果是：精氨酸相较于其他两种氨基酸，氮元素的含量更高，能够在燃烧时产生更多的氨气，在气相阻燃中拥有更高的阻燃效率。
12、进一步优选的，a为锌离子。
13、上述技术方案的有益效果是：锌离子常用于聚酯的阻燃中，可以加速聚合物的热降解，催化聚合物链与阻燃剂之间的脱水和交联，从而产生更加连续、致密、稳定的炭层。
14、本发明还提供了上述的一种生物基阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：
15、(1)常温搅拌下，将聚磷酸铵溶解在质量分数为2％～15％的生物质碱性氨基酸水溶液中，得到聚磷酸铵溶液；
16、(2)常温搅拌下，将金属盐溶解在质量分数为2％～10％的植酸水溶液中，得到金属盐溶液；
17、(3)常温搅拌下，将步骤(1)所得的聚磷酸铵溶液滴加到步骤(2)中的金属盐溶液中，所得反应液经过水洗、干燥，得到生物基阻燃剂。
18、上述技术方案的有益效果是：此反应过程中通过选择可再生的生物资源植酸和碱性氨基酸作为合成阻燃剂的一部分，进一步利用金属盐与溶液中碱性氨基酸发生反应形成初步络合物，然后迅速与植酸进一步形成稳定络合物，其金属络合物能够使阻燃炭层更致密，从而达到抗熔滴的目的。因而所得生物基阻燃剂可制备得到兼具优异力学性能、抗熔滴阻燃性能的阻燃聚乳酸复合材料。
19、优选的，在上述的一种生物基阻燃剂的制备方法中，所述聚磷酸铵、生物质碱性氨基酸、植酸、金属盐的摩尔比为1：0.5～5：0.01～0.1：0.5～10。
20、进一步优选的，在上述的一种生物基阻燃剂的制备方法中，所述聚磷酸铵与所述生物质碱性氨基酸的摩尔比为1：1。
21、优选的，在上述的一种生物基阻燃剂的制备方法中，所述生物质碱性氨基酸水溶液的质量分数为2％～15％；所述植酸水溶液的质量分数为2％～10％。
22、优选的，在上述的一种生物基阻燃剂的制备方法中，所述金属盐选自硫酸铝、氯化铝、氯化镁、氯化钙、硫酸钙、硫酸锌中的一种。
23、进一步优选的，在上述的一种生物基阻燃剂的制备方法中，所述金属盐为硫酸锌。
24、进一步优选的，在上述的一种生物基阻燃剂的制备方法中，所述生物质碱性氨基酸选自组氨酸、赖氨酸、精氨酸的一种。
25、进一步优选的，在上述的一种生物基阻燃剂的制备方法中，所述生物质碱性氨基酸为精氨酸。
26、优选的，在上述的一种生物基阻燃剂的制备方法中，步骤(1)中所述搅拌的转速为50～600rpm。
27、进一步优选的，在上述的一种生物基阻燃剂的制备方法中，步骤(1)中所述搅拌的转速为500rpm。
28、优选的，在上述的一种生物基阻燃剂的制备方法中，步骤(3)中所述滴加的平均速率为0.56-3.3ml/min。
29、进一步优选的，在上述的一种生物基阻燃剂的制备方法中，步骤(3)中所述滴加的平均速率为0.83ml/min。
30、本发明还提供了上述的一种生物基阻燃剂在制备阻燃聚乳酸复合材料中的应用，其特征在于，所述阻燃聚乳酸复合材料包括以下质量分数的组分：2～13％生物基阻燃剂、2～13％膨胀阻燃剂、85％～96％聚乳酸。
31、优选的，所述膨胀阻燃剂选自聚磷酸铵、聚磷腈、三聚氰胺中的一种或两种。
32、优选的，所述阻燃聚乳酸复合材料的制备方法为：将生物基阻燃剂、膨胀阻燃剂和聚乳酸于170～190℃下熔融共混7～10min，得到阻燃聚乳酸复合材料。
33、优选的，所述生物基阻燃剂和膨胀阻燃剂的质量比为1：0.2～5。
34、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种生物基阻燃剂及其制备方法和应用，具有以下有益效果：
35、(1)本发明使用的原料植酸和碱性氨基酸都为可再生、生物质来源的有机物，合成的阻燃剂为环境友好生物基阻燃剂，原料来源广泛、绿色环保，符合可持续发展的主题，不仅可以减缓石油短缺的危机，还能保护环境。
36、(2)本发明制备方法简便安全，过程中溶剂只有水，无反应温度和反应压强的要求，可实现大规模的工业生产。
37、(3)本发明通过碱性氨基酸、聚磷酸铵、植酸和金属化合物的一体化反应，可以有效提高阻燃剂的阻燃效率和聚乳酸复合材料的抗熔滴性能，且能够有效降低阻燃剂的熔点，使其能够更均匀地分散在聚乳酸基体中以提高力学性能。
38、(4)本发明制备的阻燃聚乳酸复合材料，效果明显，通过调整阻燃剂中膨胀阻燃剂与产物的占比，能够在较低添加量时使阻燃聚乳酸复合材料获得优异的阻燃性能和抗熔滴性能。
1.一种生物基阻燃剂，其特征在于，所述生物基阻燃剂的结构如式(i)所示：
2.根据权利要求1所述的一种生物基阻燃剂，其特征在于，b为组氨酸、赖氨酸、精氨酸中的一种。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种生物基阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种生物基阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述聚磷酸铵、生物质碱性氨基酸、植酸、金属盐的摩尔比为1：0.5～5：0.01～0.1：0.5～10。
5.根据权利要求3所述的一种生物基阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述生物质碱性氨基酸水溶液的质量分数为2％～15％；所述植酸水溶液质量分数为2％～10％。
6.根据权利要求3所述的一种生物基阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述金属盐选自硫酸铝、氯化铝、氯化镁、氯化钙、硫酸钙、硫酸锌中的一种。
7.根据权利要求3所述的一种生物基阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述生物质碱性氨基酸选自组氨酸、赖氨酸、精氨酸的一种。
8.根据权利要求1-2任一项所述的一种生物基阻燃剂在制备阻燃聚乳酸复合材料中的应用，其特征在于，所述阻燃聚乳酸复合材料包括以下质量分数的组分：2～13％生物基阻燃剂、2～13％膨胀阻燃剂、85％～96％聚乳酸。
9.根据权利要求8所述的一种生物基阻燃剂在制备阻燃聚乳酸复合材料中的应用，其特征在于，所述膨胀阻燃剂选自聚磷酸铵、聚磷腈、三聚氰胺中的一种或两种。
10.根据权利要求8所述的一种生物基阻燃剂在制备阻燃聚乳酸复合材料中的应用，其特征在于，所述阻燃聚乳酸复合材料的制备方法为：将生物基阻燃剂、膨胀阻燃剂和聚乳酸于170～190℃下熔融共混7～10min，得到阻燃聚乳酸复合材料。
