阻燃空气滤纸的制备及其性能研究

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空气过滤纸是汽车发动机空气滤清器的核心部件,由于其本身属于易燃材料,在实际应用中由于发动机“回火”或吸入火星等原因,可能会导致滤纸燃烧,造成汽车自燃。因此,从安全角度出发,滤清器用空气滤纸必须具有优良的阻燃性能。目前,国产阻燃空气滤纸产品由于综合性能较差,很难满足实际应用需求,性能优异的阻燃空气滤纸产品基本依赖进口。因此,本论文通过设计并合成阻燃改性丙烯酸增强树脂,并通过在过滤原纸中引入阻燃MF(三聚氰胺甲醛树脂)纤维的方法,制备得到综合性能和阻燃性能优异的空气滤纸。论文主要研究内容如下:(1)首先,以双酚A环氧树脂E-51与磷酸发生开环缩合反应制备得到环氧磷酸(EPPA)。研究了反应工艺、稀释剂用量、物料配比以及反应温度对反应过程及产物组成的影响。结果表明EPPA最佳制备工艺为:采用环氧树脂滴入磷酸的方法,E-51与稀释剂(无水乙醇)质量比为2.0:1.0;E-51与H3PO4摩尔比为1.05:2.00;反应条件为40℃反应3h,然后升温到60℃反应1h,70℃反应1h。红外光谱(FTIR)、核磁共振波谱(31P NMR)及超高效聚合物色谱(APC)分析结果表明制备的环氧磷酸产物主要为目标产物环氧磷酸单酯。(2)其次,通过自由基接枝共聚的方法制备EPPA改性丙烯酸树脂(EPPA-PA),研究了聚合工艺和EPPA用量对聚合过程及EPPA接枝率的影响。测试了经MF树脂(三聚氰胺甲醛树脂)固化的EPPA-PA树脂的热性能、阻燃性能以及涂膜性能,并通过自乳化的方法制备得到EPPA-PA乳液。结果表明:随着体系EPPA添加量的增加,EPPA接枝率逐渐下降。当体系引发剂AIBN用量为1.5wt%,反应温度为75℃时,EPPA的接枝率最高。未接枝的EPPA也能够与固化剂MF树脂发生交联反应,经MF树脂固化后EPPA-PA树脂具有优异的涂膜性能。EPPA-PA固化树脂体系的阻燃性能随着体系磷、氮含量的增加而提高,当固化树脂体系的磷、氮元素含量分别达到1.70wt%和5.30wt%时,树脂体系的LOI可达26.3%,并通过UL-94的V0级别测试。此外,当树脂体系MAA含量为5wt%,经过氨水中和后(中和度为100%),在剪切力作用下EPPA-PA树脂能够自乳化形成稳定的EPPA-PA树脂乳液。(3)在EPPA-PA树脂的研究基础上,以甲基丙烯酸-β-羟乙酯磷酸酯(HPN)、E-51、丙烯酸单体以及尿素为原料,通过自由基溶液聚合和接枝聚合同步进行的方法,制备得到磷、氮改性环氧丙烯酸树脂(HPN-EPPA-UR-PA)。通过红外光谱(FTIR)、热重红外联用仪(TG-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、锥形量热仪(CONE)以及差示扫描量热仪(DSC)等方法分别测试和表征了树脂体系的分子结构、热性能、阻燃性能以及树脂的热分解动力学。最后将其应用于阻燃空气滤纸中,初步研究了滤纸的阻燃性能。结果表明:随着HPN-EPPA-UR-PA体系磷含量的增加,树脂的阻燃性能逐渐提高;而随着体系氮含量的增加,树脂的阻燃性能先增加后降低,并且树脂体系在受热分解过程中会产生CO2、NH3以及水蒸气等不燃气体。当HPN单体用量为50wt%,尿素用量为5wt%时,树脂的阻燃性能最好,并随着热分解反应的进行,树脂的热分解活化能不断增加,表现出磷氮协同阻燃作用。将阻燃树脂体系应用于制备阻燃空气滤纸,当HPN-EPPA-UR-PA树脂体系的磷元素含量为6.45wt%,氮元素含量为2.33wt%,上胶量为25wt%时,增强后滤纸可以通过GB/T 14656-2009阻燃标准测试。(4)最后,论证了MF纤维作为制备空气过滤材料的纤维原料的可行性,并将MF纤维与植物纤维混抄制备空气滤纸原纸,然后通过上文所制备的HPN-EPPA-UR-PA乳液进行增强处理,制备得到阻燃空气滤纸。详细研究了MF纤维用量、阻燃增强树脂乳液磷含量以及上胶量等对滤纸力学性能以及阻燃性能的影响。结果表明:从过滤材料的角度考虑,MF纤维可以作为纤维组分之一用于制备阻燃空气滤纸,以达到进一步提升滤纸的阻燃性能的作用,当HPN-EPPA-UR-PA乳液体系的磷含量为5.16wt%,氮含量为2.33wt%,MF纤维用量为20wt%(占纤维原料),上胶量为25wt%时,滤纸能够通过GB/T14656-2009阻燃标准测试。同时滤纸兼具优异的力学性能,可以满足实际应用需求。
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