黏土层层自组装阻燃天然纤维素纸张的研究

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随着纸质材料的广泛应用以及消防工作的日益严峻,人们对纸质材料的阻燃性能提出了更高的要求。为了降低对人类健康和生态环境的影响,使用高效、环保的阻燃剂对纸质材料进行阻燃处理正成为全球的热点。本文主要采用层层自组装技术和涂布工艺对纤维素纸张进行阻燃处理,主要研究了抗衡金属离子种类对阴离子改性蒙脱土的结构与热性能的影响,阴离子改性蒙脱土对纤维素纸张的表面阻燃效果。通过X射线衍射仪(XRD)、热重分析仪(TG)、扫描电子显微镜(SEM)、透气度测试仪以及水平燃烧测试仪等分析手段对阴离子改性蒙脱土及表面改性的阻燃纸进行研究。(1)通过对制得的抗衡金属离子蒙脱土和阴离子改性蒙脱土进行研究,发现金属离子能够进入蒙脱土层间,并且能促使硬脂酸阴离子进入蒙脱土层间。阴离子改性蒙脱土的层间距由0.98nm增加到1.56nm1.58nm,层间的有机物含量也有不同程度的增加。(2)通过采用层层自组装技术对纸张进行表面改性,发现蒙脱土-十六烷基三甲基氯化铵(MMT-CTAC)和蒙脱土-聚乙烯亚胺(MMT-PEI)自组装对纸张的阻燃效果要优于CTAC-MMT和PEI-MMT。(3)采用层层自组装技术时,四种溶液体系对纸张进行阻燃处理的效果排序如下:蒙脱土-氯化锌-羧甲基纤维素钠(MMT-ZnCl2-CMC)>MMT-CaCl2-CMC>MMT-FeCl3-CMC>MMT-MgCl2-CMC。MMT-ZnCl2-CMC-10处理后的纸张在水平燃烧测试时能够自熄,而MMT-ZnCl2-CMC-15处理后的纸张在水平燃烧测试时难点燃,阻燃性能较好。此外,透气性结果表明,先用钠基蒙脱土(Na-MMT)悬浮液通过层层自组装技术处理纤维素纸张能够有效降低纸张的透气性。尤其是MMT-ZnCl2-CMC处理过的纸张,透气性随着自组装层数的增加显著下降。MMT-ZnCl2-CMC-15处理过的纸张透气性下降了94%。且随着纸张透气性的降低,成炭反应增加,阻燃性能提高。(4)采用抗衡金属离子蒙脱土和羧甲基纤维素钠制备得到层状结构的复合薄膜材料。XRD和SEM结果表明,羧甲基纤维素钠确实通过插层进入到蒙脱土层间,使其层间距由0.98nm增至1.792.46nm。而且与纯的CMC薄膜相比,添加蒙脱土形成的复合薄膜的高温热稳定性和残炭量都有明显提高。另外,复合薄膜有良好的光透过性,且在紫外光区的光透过率都显著降低。尤其是CMC-Fe-MMT复合薄膜的光透过率降低了93.3%93.8%,表明抗衡金属离子蒙脱土Fe-MMT具有优越的紫外线吸收性能。(5)通过涂布工艺采用羧甲基纤维素钠(CMC)溶液和羧甲基纤维素钠/蒙脱土复合物制备得到涂布纸张。发现纤维素纸张经过涂布,纸张纤维之间的空隙被填补,纸张表面变得平整,透气性下降,高温热稳定性提高。而且羧甲基纤维素钠/蒙脱土复合物涂布后纸张的高温热稳定性要优于羧甲基纤维素钠(CMC)涂布后的纸张。另外,羧甲基纤维素钠溶液涂布后的纸张完全燃烧,而羧甲基纤维素钠/蒙脱土复合物涂布后的纸张燃烧时会在表面生成一层致密的保护膜,阻碍可燃性气体以及热量的传播,保护基底材料,甚至使纸张自熄。
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