纖維素基阻燃材料的制備與性能研究.pdf

1、纖維素是地球上儲(chǔ)量最大的可再生有機(jī)資源，因其來(lái)源廣泛、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可生物降解、富羥基易改性的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)今石化資源匱乏的時(shí)代，是最有望替代合成樹(shù)脂、合成纖維及部分石化功能材料并廣泛用于家居用品、紡織服裝、航空軍事、食品包裝等多個(gè)領(lǐng)域中的天然高分子。而纖維素易燃，采用綠色環(huán)保、高效的阻燃劑對(duì)再生纖維素進(jìn)行阻燃改性，是當(dāng)前再生纖維素基功能材料應(yīng)用中的重要課題。
　　本文以自制鎂鋁層狀雙金屬氫氧化物(Mg/Al-LDHs)為主要阻燃劑

2、，通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化法調(diào)控該無(wú)機(jī)阻燃劑組成，并與纖維素混合制備纖維素基阻燃材料，采用極限氧指數(shù)測(cè)試、垂直燃燒測(cè)試、錐形量熱測(cè)試及熱重-紅外分析聯(lián)用儀研究了鎂鋁層狀雙金屬氫氧化物層間陰離子種類、阻燃劑組成、阻燃劑用量等因素對(duì)材料燃燒性能的影響及其相應(yīng)阻燃機(jī)理，現(xiàn)取得如下結(jié)果:
　　(1)Mg/Al-LDHs的制備:分別采用共沉淀法和焙燒復(fù)原法制備插層CO32-、HPO42-、H2PO4-、B4O72-的Mg/Al-LDHs，并采用響應(yīng)面

3、優(yōu)化法(RSM)調(diào)控焙燒復(fù)原法制備Mg/Al(H2PO4)-LDHs時(shí)分子內(nèi)H2PO42-插層比。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn):共沉淀法制備Mg/Al-LDHs時(shí)，相同工藝條件下，不同陰離子在層間插層能力不同，CO32-的插層能力最強(qiáng)，晶相結(jié)構(gòu)完整有序，HPO42-和H2PO4-次之，B4O72-最差，且其不易形成類水滑石晶相結(jié)構(gòu);經(jīng)熱重分析發(fā)現(xiàn)，Mg/Al(H2PO4)-LDHs熱穩(wěn)定性最佳，Mg/Al(CO3)-LDHs最差，二者最終質(zhì)量損失后者較

4、前者大12.38％。
　　(2)纖維素阻燃材料的制備與性能表征:以NaOH/尿素溶液作纖維素溶解劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)為交聯(lián)劑，自制Mg/Al-LDHs納米顆粒作主要阻燃劑，制備出不同組成的纖維素基阻燃材料，并采用熱重分析、壓縮測(cè)試、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能測(cè)試等研究材料的熱穩(wěn)定性與機(jī)械性能。研究發(fā)現(xiàn)，材料的熱穩(wěn)定性與機(jī)械性能隨阻燃劑含量的增加顯著上升，受熱時(shí)熱分解速率迅速下降，當(dāng)僅含纖維素與Mg/Al(CO3)-LDHs且

5、質(zhì)量比為1∶0.6時(shí)，材料的熱分解溫度上升13℃以上，材料由準(zhǔn)韌性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性增強(qiáng)體，添加Mg/Al(CO3)-LDHs及Mg/M(H2PO4)-LDHs的纖維素基阻燃材料，最大壓縮應(yīng)力分別為純纖維素材料最大壓縮應(yīng)力的2倍及3倍以上，海泡石的存在則會(huì)使材料變軟。
　　(3)纖維素基阻燃材料的阻燃性能與阻燃機(jī)理研究:通過(guò)極限氧指數(shù)(LOI)測(cè)定法、垂直燃燒測(cè)試、錐形量熱分析及熱重-紅外分析聯(lián)用(TGA-FTIR)研究阻燃劑配方對(duì)材料阻

6、燃性能的影響，并進(jìn)一步研究阻燃機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)材料阻燃性能隨LDHs添加量的增加而不斷上升，當(dāng)纖維素∶Mg/Al(CO3)-LDHs=1∶0.4時(shí)，纖維素基阻燃材料的LOI高于27％以上，相比于純纖維素材料的LOI增加了59.11％以上，等比例條件下，Mg/Al(H2PO4)-LDHs/纖維素復(fù)合材料的LOI較純纖維素增加了63.00％;海泡石的存在有利于碳層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，但同時(shí)會(huì)延長(zhǎng)陰燃時(shí)間;Mg/Al-LDHs與海泡石的存在顯著降低了纖

7、維素燃燒的熱釋放速率（HRR），當(dāng)纖維素∶Mg/Al(CO3)-LDHs=1∶0.4時(shí)，HRR由純纖維素的144.80kJ/m2下降為68.23kJ/m2，下降了52.88％，同等質(zhì)量比時(shí)，含有Mg/Al(H2PO4)-LDHs的纖維素基阻燃材料的HRR為50.38kJ/m2，下降了65.21％;燃燒過(guò)程中均無(wú)有毒氣體和濃煙放出。根據(jù)TGA-FTIR研究發(fā)現(xiàn)，LDHs的阻燃機(jī)理以氣相阻燃能為主，兼存固相阻燃機(jī)理。
　　纖維素材料的

8、阻燃改性途徑多樣，如用硼、氮、磷類阻燃劑及銻、鉬類協(xié)效阻燃劑與纖維素材料復(fù)合，或以氯、溴等鹵素元素對(duì)纖維素分子鏈進(jìn)行化學(xué)改性，但這些方法均易影響材料品質(zhì)，一旦燃燒易釋放出煙霧和有毒氣體。本次研究，筆者以自制Mg/Al-LDHs作纖維素材料主體阻燃機(jī)，與纖維素混合制備了纖維素基阻燃材料，該材料具有優(yōu)異的阻燃性能，燃燒熱釋放速率(HRR)低，無(wú)有毒氣體釋放，綜合性能優(yōu)異，且選用配方綠色環(huán)保、來(lái)源廣泛，實(shí)現(xiàn)了纖維材料環(huán)保阻燃的目的，以期用于環(huán)