纖維素基阻燃材料的制備與性能研究.pdf

1、纖維素是地球上儲量最大的可再生有機資源，因其來源廣泛、結構穩(wěn)定、可生物降解、富羥基易改性的特點與優(yōu)勢，在當今石化資源匱乏的時代，是最有望替代合成樹脂、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、食品包裝等多個領域中的天然高分子。而纖維素易燃，采用綠色環(huán)保、高效的阻燃劑對再生纖維素進行阻燃改性，是當前再生纖維素基功能材料應用中的重要課題。
　　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、，通過響應面優(yōu)化法調控該無機阻燃劑組成，并與纖維素混合制備纖維素基阻燃材料，采用極限氧指數測試、垂直燃燒測試、錐形量熱測試及熱重-紅外分析聯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材料燃燒性能的影響及其相應阻燃機理，現取得如下結果:
　　(1)Mg/Al-LDHs的制備:分別采用共沉淀法和焙燒復原法制備插層CO32-、HPO42-、H2PO4-、B4O72-的Mg/Al-LDHs，并采用響應面

3、優(yōu)化法(RSM)調控焙燒復原法制備Mg/Al(H2PO4)-LDHs時分子內H2PO42-插層比。分析結果發(fā)現:共沉淀法制備Mg/Al-LDHs時，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，晶相結構完整有序，HPO42-和H2PO4-次之，B4O72-最差，且其不易形成類水滑石晶相結構;經熱重分析發(fā)現，Mg/Al(H2PO4)-LDHs熱穩(wěn)定性最佳，Mg/Al(CO3)-LDHs最差，二者最終質量損失后者較

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、壓縮測試、動態(tài)熱機械性能測試等研究材料的熱穩(wěn)定性與機械性能。研究發(fā)現，材料的熱穩(wěn)定性與機械性能隨阻燃劑含量的增加顯著上升，受熱時熱分解速率迅速下降，當僅含纖維素與Mg/Al(CO3)-LDHs且

5、質量比為1∶0.6時，材料的熱分解溫度上升13℃以上，材料由準韌性轉變?yōu)轫g性增強體，添加Mg/Al(CO3)-LDHs及Mg/M(H2PO4)-LDHs的纖維素基阻燃材料，最大壓縮應力分別為純纖維素材料最大壓縮應力的2倍及3倍以上，海泡石的存在則會使材料變軟。
　　(3)纖維素基阻燃材料的阻燃性能與阻燃機理研究:通過極限氧指數(LOI)測定法、垂直燃燒測試、錐形量熱分析及熱重-紅外分析聯用(TGA-FTIR)研究阻燃劑配方對材料阻

6、燃性能的影響，并進一步研究阻燃機理。研究發(fā)現材料阻燃性能隨LDHs添加量的增加而不斷上升，當纖維素∶Mg/Al(CO3)-LDHs=1∶0.4時，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構的穩(wěn)定，但同時會延長陰燃時間;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），當纖維素∶Mg/Al(CO3)-LDHs=1∶0.4時，HRR由純纖維素的144.80kJ/m2下降為68.23kJ/m2，下降了52.88％，同等質量比時，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％;燃燒過程中均無有毒氣體和濃煙放出。根據TGA-FTIR研究發(fā)現，LDHs的阻燃機理以氣相阻燃能為主，兼存固相阻燃機理。
　　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合，或以氯、溴等鹵素元素對纖維素分子鏈進行化學改性，但這些方法均易影響材料品質，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，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，無有毒氣體釋放，綜合性能優(yōu)異，且選用配方綠色環(huán)保、來源廣泛，實現了纖維材料環(huán)保阻燃的目的，以期用于環(huán)