一种可降解的阻燃植物纤维无纺布及其制备方法与流程

2021-01-13 15:01:46|

298|

起点商标网

本发明涉及无纺布技术领域，具体为一种可降解的阻燃植物纤维无纺布及其制备方法。

背景技术：

阻燃剂是赋予易燃聚合物难燃性的功能性助剂，主要有机阻燃剂和无机阻燃剂，卤系阻燃剂(有机氯化物和有机溴化物)和非卤。有机是以溴系、磷氮系、氮系和红磷及化合物为代表的一些阻燃剂，无机主要是三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝，硅系等阻燃体系。其中，阻燃剂中最常用的卤系阻燃剂虽然具有其他阻燃剂系列无可比拟的高效性，但是它对环境和人的危害是不可忽视的。所以国内外一直在调整阻燃剂的产品结构，加大高效环保型阻燃剂的开发。而金属有机框架材料具有多孔纳米结构、丰富的空隙、与聚合物出色的相容性、金属节点、多功能配体等优异的特点，为用于聚合材料的阻燃剂提供了多种可能性。

无纺布是由定向的或随机的纤维而构成。多采用生物可降解的环境友好型聚乳酸高分子材料为原料，由于该材料具有易燃性，极易燃烧产生熔融滴落从而引发火灾，因此，如何增加无纺布的阻燃性，提高使用安全性是亟待解决的问题。而目前市场上所使用的的阻燃剂，一般都仅具有阻燃的效果，无法同时帮助无纺布加速降解。同时，普通无纺布也存在强度弱和耐久性差、亲水性弱等缺点。

针对上述问题，我们设计了一种可降解的阻燃植物纤维无纺布及其制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可降解的阻燃植物纤维无纺布及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种可降解的阻燃植物纤维无纺布，包括植物纤维无纺布基布和浸轧在基布表面的阻燃剂浆料。

本发明中公开了一种可降解的阻燃植物纤维无纺布，其中植物纤维无纺布基布具有易分解、透气、防潮、可循环再利用等特点，本发明中以聚乳酸为主要原料；由于聚乳酸是一种具有易燃性的高分子材料，所以使用浸轧工艺将阻燃剂浆料浸轧在基布表面，有效防止无纺布基布燃烧产生熔融滴落从而引发火灾。

较优化地，所述植物纤维无纺布基布以聚乳酸为主体，各原料组分按如下：以重量计，聚乳酸85-90份、棉秆纤维15-20份、亚麻纤维3-8份、聚酰胺纤维8-12份。

本技术方案中植物纤维无纺布基布包括聚乳酸、棉杆纤维、亚麻纤维、聚酰胺纤维，聚乳酸是一种生物可降解的物质，存在强度弱、耐久性差等弱点。因此，掺杂强度和韧性很好的棉杆纤维来增加无纺布的韧性和强度，掺杂聚酰胺纤维有效提高无纺布的耐磨性；但又因为聚酰胺纤维是疏水性纤维，易产生静电，耐热性差。因此，又加入具有吸湿散热、抑菌、抗静电等性能的亚麻纤维来优化互补，同时，由于亚麻纤维吸湿散热性使得亚麻在纺织纤维中具有一定的阻燃效果。

其中，无纺布的降解为主材料聚乳酸的降解，该物质大部分为水解，一般是水性介质渗入聚合物，导致聚合物分子链松弛，脂键开始水解，逐渐降解为低聚物，产生更多端羧基，增加降解速度。但聚乳酸自身有很强的的疏水性，加入的棉杆纤维具有天然吸湿性，可以提高聚乳酸的水解降解的速度。

较优化地，所述阻燃剂浆料各原料组分按如下：以重量计，阻燃剂5-10份，壳聚糖8-15份，苹果酸0.1-3份，蒸馏水200-220份。

本技术方案中，阻燃剂的浆料的原料包括阻燃剂、壳聚糖、乙酸、蒸馏水；其中阻燃剂是阻燃剂浆料的核心，阻燃剂一方面可以通过浸渍法，直接利用范德华力吸附在无纺布基布的表面；另一方面可以通过壳聚糖锚定在无纺布基布的表面，具体原理：阻燃剂表面含有丰富的羟基结构，于蒸馏水中，水解产生带有游离羟基结构的阻燃剂，带负电荷；而壳聚糖在苹果酸中会溶解产生质子化的壳聚糖，带正电荷；使得阻燃剂表面大量的羟基与阳离子的壳聚糖发生去质子化反应，产生稳定的氢键。同时，壳聚糖上的氨基与聚乳酸上的羧基以离子键的方式相连，由此，阻燃剂通过壳聚糖的离子态锚定在无纺布基布表面，分子间作用力强，键能更高，使得阻燃剂不容易脱落。同时，阻燃剂表面的羟基、壳聚糖含有的羟基和氨基等极性基团具有较强的亲水性，可与无纺布基布中的棉杆纤维产生协同效应，提高聚乳酸水解降解的速度。

较优化地，所述阻燃剂是zn-mof-74/pva。

本技术方案中，zn-mof-74是一种以zn为金属中心，具有二氧化碳气体吸附能力的多孔有机框架，zn-mof-74/pva是利用zn-mof-74中二价锌离子与pva中氢键产生的电子效应，将zn-mof-74均匀包裹pva而制得。

阻燃原理：当表面燃烧时，其一，zn-mof-74被氧化产生氧化锌，所形成的致密的氧化锌保护层，防止火焰的产生；其二，zn-mof-74孔道中吸附的二氧化碳以及pva燃烧热解产生的二氧化碳能有效阻碍火焰的产生；其三，碳化形成的固体碳层，有效的阻碍了氧气的扩散以及可燃物挥发燃烧过程中热量和质量的传递；其四，无纺布中含有的亚麻纤维具有吸湿散热性，有效阻碍热量的传递；综上，四重阻燃机制协同产生强烈的阻燃作用。

较优化地，所述苹果酸浓度为10％。

本技术方案中，苹果酸如浓度不得超过20％，超过易造成阻燃剂结构表面的腐蚀，不利于阻燃剂保持其多孔结构。

较优化地，所述壳聚糖是由甲壳素脱乙酰化制得。

较优化地，所述棉杆纤维柔直径为25-85μm、长度为2-8cm。

较优化地，一种可降解的阻燃植物纤维无纺布的制备方法，包括以下步骤：

1)阻燃剂的制备；

2)植物纤维无纺布基布制备；

3)阻燃剂浆料浸轧无纺布基布；

较优化地，一种可降解的阻燃植物纤维无纺布的制备方法，包括以下步骤：

1)阻燃剂的制备：

a)原料准备：准备六水合硝酸锌、2,5-二羟基对苯二甲酸、dmf(氮氮二甲基甲酰胺)、异丙醇、蒸馏水、pva(聚乙烯醇)，备用；

b)zn-mof-74制备：

a.准确称取0.604g的六水合硝酸锌、0.19g的2,5-二羟基对苯二甲酸，准确量取20mldmf、1ml异丙醇、1ml蒸馏水于搅拌条件下混合均匀，得混合物料，可根据所需量等比例放大；

b.将步骤a中的混合物料放入聚四氟乙烯反应釜中，套上铁皮，放入马弗炉中，以3-5℃/min的升温速率升至110℃反应72小时，再以3-5℃/min的升温速率降至室温，得到反应后物料；

c.将步骤b中反应后物料，使用离心机以10000r/min转速进行固液分离，甲醇洗涤3次，60℃真空干燥24小时得到产物zn-mof-74，备用；

c)zn-mof-74/pva阻燃剂的制备：

a.将步骤b)制备的zn-mof-74与蒸馏水混合，超声分散30分钟制得10wt％zn-mof-74水性悬浮液a，备用；

b.将pva与蒸馏水混合，并于80℃下搅拌溶解制得10wt％的pva水性悬浮液b，备用；

c.将步骤a中悬浮液a与步骤b中悬浮液b混合搅拌30分钟，放入冷冻机中于-80℃下冷冻12小时，得到物料c；

d.将步骤c中的物料c放入冷冻干燥机中干燥48小时，制得zn-mof-74/pva，以作阻燃剂；

2)植物纤维无纺布基布制备：

a)原料准备：称取聚乳酸、棉秆纤维、亚麻纤维、聚酰胺纤维，备用；

b)植物纤维无纺布基布制备：

a.将聚乳酸于60℃真空干燥箱中充分干燥，与秸秆纤维、亚麻纤维、聚酰胺纤维通过高速混合机混合，得混合料；

b.将步骤a中的混合料通过螺杆挤压熔融，控制工作温度在80-100℃，控制转速在50-60r/min；再通过喷丝孔喷射成聚乳酸纤维，控制喷丝孔径在0.16-0.19mm，控制工作速度在6000-8000m/min；然后将纤维吹风冷却，以气流拉伸成网，控制气流牵伸速度在6000-7000m/min；最后通过轧机花辊辊压加固形成无纺布基布，控制辊速在8-10m/min，控制工作压力在20-25mpa，控制工作温度在120-140℃；

3)阻燃剂浆料浸轧无纺布基布：

a)原料准备：称取阻燃剂、壳聚糖、苹果酸、蒸馏水，备用；

b)阻燃剂浆料浸轧无纺布基布：

a.将阻燃剂、壳聚糖、苹果酸、蒸馏水加入搅拌桶中混合，得到阻燃剂浆料，备用；

b.将无纺布基布完全浸渍在步骤a中的阻燃剂浆料中，浸渍时间为12-24小时，浸渍结束后将无纺布基布取出置于浸扎机中进行挤压，此为第一次浸轧；

c.将步骤b浸轧过一次的无纺布基布再一次浸入阻燃剂浆料中，并加入超声波振荡器超声30分钟，再次置于浸扎机中进行挤压，此为第二次浸轧；

d.将步骤c中浸轧两次的无纺布基布，于60℃烘干机下烘干，制得一种可降解的阻燃植物纤维无纺布。

较优化地，一种可降解的阻燃植物纤维无纺布的制备方法，悬浮液a和b的混合比例是：质量分数比(1:1)-(3:1)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明制备时，以壳聚糖溶解在苹果酸中的产生的离子态为介质，将zn-mof-74/pva阻燃剂锚定在可降解性植物纤维无纺布基布的表面，从而产生阻燃作用；利用阻燃剂表面丰富的羟基结构、壳聚糖含有的羟基和氨基等极性基团以及无纺布中掺杂的棉杆纤维所产生的亲水性，优化互补了聚乳酸的疏水性，有效增加其水解降解的速率；同时，掺杂聚酰胺纤维有效增加无纺布的耐磨性，掺杂麻纤维提高无纺布的吸湿散热、抑菌、抗静电等性能，拓展了无纺布的应用范围。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

步骤s1：阻燃剂的制备：

步骤s11：原料准备：准备六水合硝酸锌、2,5-二羟基对苯二甲酸、氮氮二甲基甲酰胺(dmf)、异丙醇、蒸馏水、聚乙烯醇(pva)，备用；

步骤s12：zn-mof-74制备：准确称取六水合硝酸锌、2,5-二羟基对苯二甲酸，准确量取dmf、异丙醇、蒸馏水在搅拌条件下混合均匀；将混合物料放入聚四氟乙烯反应釜中，套上铁皮，放入马弗炉中，以3℃/min的升温速率升至110℃反应72小时，再以3℃/min的升温速率降至室温，得到反应后物料；使用离心机以10000r/min转速进行固液分离，甲醇洗涤3次，60℃真空干燥24小时得到产物zn-mof-74，备用；

步骤s13：zn-mof-74/pva阻燃剂的制备：将制备的zn-mof-74与蒸馏水混合，超声分散30分钟制得10wt％zn-mof-74水性悬浮液a；将pva与蒸馏水混合，并于80℃下搅拌溶解制得10wt％的pva水性悬浮液b；将悬浮液a与悬浮液b混合搅拌30分钟，放入冷冻机中于-80℃下冷冻12小时；将步骤c中的物料c放入冷冻干燥机中干燥48小时，制得zn-mof-74/pva，以作阻燃剂；

步骤s2：植物纤维无纺布基布制备：

步骤s21：称取聚乳酸、棉秆纤维、亚麻纤维、聚酰胺纤维，备用；

步骤s22：植物纤维无纺布基布制备：将聚乳酸于60℃真空干燥箱中充分干燥，与秸秆纤维、亚麻纤维、聚酰胺纤维通过高速混合机混合，得混合料；将混合料通过螺杆挤压熔融，控制工作温度在80℃，控制转速在50r/min；再通过喷丝孔喷射成聚乳酸纤维，控制喷丝孔径在0.16mm，控制工作速度在6000m/min；然后将纤维吹风冷却，以气流拉伸成网，控制气流牵伸速度在6000m/min；最后通过轧机花辊辊压加固形成无纺布基布，控制辊速在8m/min，控制工作压力在20mpa，控制工作温度在120℃；

步骤s3：阻燃剂浆料浸轧无纺布基布：

步骤s31：原料准备：称取阻燃剂、壳聚糖、苹果酸、蒸馏水，备用；

步骤s32：阻燃剂浆料浸轧无纺布基布：将阻燃剂、壳聚糖、苹果酸、蒸馏水加入搅拌桶中混合，得到阻燃剂浆料；将无纺布基布完全浸渍在阻燃剂浆料中，浸渍时间为12小时，浸渍结束后将无纺布基布取出置于浸扎机中进行挤压，此为第一次浸轧；将浸轧过一次的无纺布基布再一次浸入阻燃剂浆料中，并加入超声波振荡器超声30分钟，再次置于浸扎机中进行挤压，此为第二次浸轧；将浸轧两次的无纺布基布，于60℃烘干机下烘干，制得一种可降解的阻燃植物纤维无纺布。

本实施例中，所述可降解无纺布基布的原料组包括聚乳酸85份、棉秆纤维15份、亚麻纤维3份、聚酰胺纤维8份。阻燃剂浆料的组分包括阻燃剂5份，壳聚糖8份，苹果酸0.1份，蒸馏水200份。

其中，所述zn-mof-74/pva阻燃剂制备中悬浮液a和b的混合比例是：质量分数比1:1。

其中，所述阻燃剂浆料浸扎无纺布基布第一次浸扎时间为12小时。

实施例2：

步骤s1：阻燃剂的制备：

步骤s11：原料准备：准备六水合硝酸锌、2,5-二羟基对苯二甲酸、氮氮二甲基甲酰胺(dmf)、异丙醇、蒸馏水、聚乙烯醇(pva)，备用；

步骤s12：zn-mof-74制备：准确称取六水合硝酸锌、2,5-二羟基对苯二甲酸，准确量取dmf、异丙醇、蒸馏水于搅拌条件下混合均匀；将混合物料放入聚四氟乙烯反应釜中，套上铁皮，放入马弗炉中，以4℃/min的升温速率升至110℃反应72小时，再以4℃/min的升温速率降至室温，得到反应后物料；使用离心机以10000r/min转速进行固液分离，甲醇洗涤3次，60℃真空干燥24小时得到产物zn-mof-74，备用；

步骤s2：植物纤维无纺布基布制备：

步骤s21：称取聚乳酸、棉秆纤维、亚麻纤维、聚酰胺纤维，备用；

步骤s22：植物纤维无纺布基布制备：将聚乳酸于60℃真空干燥箱中充分干燥，与秸秆纤维、亚麻纤维、聚酰胺纤维通过高速混合机混合，得混合料；将混合料通过螺杆挤压熔融，控制工作温度在90℃，控制转速在55r/min；再通过喷丝孔喷射成聚乳酸纤维，控制喷丝孔径在0.18mm，控制工作速度在7000m/min；然后将纤维吹风冷却，以气流拉伸成网，控制气流牵伸速度在6500m/min；最后通过轧机花辊辊压加固形成无纺布基布，控制辊速在9m/min，控制工作压力在23mpa，控制工作温度在130℃；

步骤s3：阻燃剂浆料浸轧无纺布基布：

步骤s31：原料准备：称取阻燃剂、壳聚糖、苹果酸、蒸馏水，备用；

步骤s32：阻燃剂浆料浸轧无纺布基布：将阻燃剂、壳聚糖、苹果酸、蒸馏水加入搅拌桶中混合，得到阻燃剂浆料；将无纺布基布完全浸渍在阻燃剂浆料中，浸渍时间为18小时，浸渍结束后将无纺布基布取出置于浸扎机中进行挤压，此为第一次浸轧；将浸轧过一次的无纺布基布再一次浸入阻燃剂浆料中，并加入超声波振荡器超声30分钟，再次置于浸扎机中进行挤压，此为第二次浸轧；将浸轧两次的无纺布基布，于60℃烘干机下烘干，制得一种可降解的阻燃植物纤维无纺布。

本实施例中，所述可降解无纺布基布的原料组包括聚乳酸88份、棉秆纤维18份、亚麻纤维5份、聚酰胺纤维10份。阻燃剂浆料的组分包括阻燃剂8份，壳聚糖12份，苹果酸1.5份，蒸馏水210份。

其中，所述zn-mof-74/pva阻燃剂制备中悬浮液a和b的混合比例是：质量分数比2:1。

其中，所述阻燃剂浆料浸扎无纺布基布第一次浸扎时间为18小时。

实施例3：

步骤s1：阻燃剂的制备：

步骤s11：原料准备：准备六水合硝酸锌、2,5-二羟基对苯二甲酸、氮氮二甲基甲酰胺(dmf)、异丙醇、蒸馏水、聚乙烯醇(pva)，备用；

步骤s12：zn-mof-74制备：准确称取六水合硝酸锌、2,5-二羟基对苯二甲酸，准确量取dmf、异丙醇、蒸馏水于搅拌条件下混合均匀；将混合物料放入聚四氟乙烯反应釜中，套上铁皮，放入马弗炉中，以5℃/min的升温速率升至110℃反应72小时，再以5℃/min的升温速率降至室温，得到反应后物料；使用离心机以10000r/min转速进行固液分离，甲醇洗涤3次，60℃真空干燥24小时得到产物zn-mof-74，备用；

步骤s2：植物纤维无纺布基布制备：

步骤s21：称取聚乳酸、棉秆纤维、亚麻纤维、聚酰胺纤维，备用；

步骤s22：植物纤维无纺布基布制备：将聚乳酸于60℃真空干燥箱中充分干燥，与秸秆纤维、亚麻纤维、聚酰胺纤维通过高速混合机混合，得混合料；将混合料通过螺杆挤压熔融，控制工作温度在100℃，控制转速在60r/min；再通过喷丝孔喷射成聚乳酸纤维，控制喷丝孔径在0.19mm，控制工作速度在8000m/min；然后将纤维吹风冷却，以气流拉伸成网，控制气流牵伸速度在7000m/min；最后通过轧机花辊辊压加固形成无纺布基布，控制辊速在10m/min，控制工作压力在25mpa，控制工作温度在140℃；

步骤s3：阻燃剂浆料浸轧无纺布基布：

步骤s31：原料准备：称取阻燃剂、壳聚糖、苹果酸、蒸馏水，备用；

本实施例中，所述可降解无纺布基布的原料组包括聚乳酸90份、棉秆纤维20份、亚麻纤维8份、聚酰胺纤维12份；阻燃剂浆料的组分包括阻燃剂10份，壳聚糖15份，苹果酸3份，蒸馏水220份。

其中，所述zn-mof-74/pva阻燃剂制备中悬浮液a和b的混合比例是：质量分数比3:1。

其中，所述阻燃剂浆料浸扎无纺布基布第一次浸扎时间为24小时。

实施例4：

操作步骤与实施例3相同，以zn-mof-74阻燃剂。

实施例5：

操作步骤与实施例3相同，以zif-8为阻燃剂。

实施例6：

操作步骤与实施例3相同，不添加阻燃剂。

实验1：

取实施例1-6所制备的一种可降解的阻燃植物纤维无纺布样品，按照gb/t2406-1993标准试验方法测定样品的极氧指数(loi)，结果如下：

实施例1-6中样品进行检测后loi值分别为32.3％、39.1％、35.0％，26.0％，24.0％，21.0％

结论：通过以实施例1-6的数据可以看出，添加阻燃剂确实可以改善植物纤维无纺布的阻燃性；从实施例1-5，可以说明：单独以zn-mof-74或zif-8作为阻燃剂也具有阻燃性，但以zn-mof-74/pva为阻燃剂的阻燃性远高于zn-mof-74或zif-8为阻燃剂，这是由于当表面燃烧时，不仅zn-mof-74被氧化产生氧化锌形成致密的氧化锌保护层，而且pva燃烧热解产生的二氧化碳有效阻碍了火焰的产生，两者之间产生了协同效应，因而具有强烈阻燃性。

实验2：取实施例1-4所制备的一种可降解的阻燃植物纤维无纺布样品，进行阻燃剂负载量测试，测试方法参照cn201911067737.4中所述方法，将负载阻燃剂之前和之后的无纺布称重，分别记为m无纺布和m复合材料，负载量为a(单位g/g)，计算公式：

a＝(m复合材料-m无纺布)/m无纺布，

其中，m复合材料为负载后的质量，m无纺布为负载前的质量，计算结果如下：

实施例1-4中样品的负载量分别为69.2％、90.6％、79.1％、42.6％。

结论，从实施例1-3中可以得出zn-mof-74/pva阻燃剂浆料第一次浸轧时，较优浸渍时间为18小时，负载量最高。将实施例4与实施例与实施例3对比，单独负载zn-mof-74的负载量不高，这是由于zn-mof-74负载仅依靠范德华力吸附在植物纤维无纺布基布表面，而zn-mof-74/pva不仅通过范德华力吸附，而且可以通过壳聚糖锚定在植物纤维无纺布基布表面。

实验3：取实施例1-6所制备的一种可降解的阻燃植物纤维无纺布样品，以市面普通无纺布作为对照样品进行亲水性测试，测试方法参照cn202010214691.2中所述方法，将试样用胶水贴在载玻片上，置于jy-82视频接触角测量仪测试，采用静态接触角测量，将体积为3的水滴滴在样品表面，通过测量三相交界处自固液界面经液滴内部至气液界面之夹角，重复测量三次，取平均值，结果如下：

实施例1-6中样品的接触角平均值分别为36.28°、33.33°、35.67°、70.51°、70.92°、120.36，而市面普通无纺布接触角为110.25°。

结论，接触角小于80°，说明实施例1-5中样品呈亲水性质，这是由于掺杂亚麻纤维具有吸湿性能、棉杆纤维的天然吸水性、壳聚糖含有的羟基和氨基等极性基团，三者协同产生了亲水性；而实施例1-3亲水性强于实施例4和5，是因为阻燃剂表面丰富的羟基结构。而亲水性就是加快聚乳酸的水解自降解速率的原因。实施例6具有疏水性，因为zif-8具有强疏水性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击【在线咨询】或添加微信【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。