纤维素基阻燃剂及阻燃纸的制备方法与流程

2021-01-21 02:01:50|

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本发明涉及阻燃纸，具体涉及纤维素基阻燃剂及阻燃纸的制备方法。

背景技术：

近些年来，随着石油资源的日渐枯竭，人们逐渐将目光转向开发利用天然的高分子材料。众所周知，纤维素是自然界中存在的自然资源最为丰富的天然高分子材料，而且其具有很好的生物降解性与生物相容性。目前纤维素的应用主要有纸张、包装盒、膜材料、增强材料等方面。纸张是纤维素最广泛的应用方式之一。现在的很多资料是以纸质的形式存在，纸张又具有极易燃烧的性质，所以当发生火灾时会造成极大的经济损失、人身安全以及资料的无法挽回，因此制备阻燃纸张具有重要的研究意义。

现有的阻燃剂主要是小分子物质，将该种小分子阻燃剂加入到纸张中会造成纸张力学性能的损失。高分子基阻燃剂会在不牺牲基体材料的力学性能的基础上，还赋予材料阻燃性能。

磷及其磷化物很早就被用作阻燃剂使用。磷系阻燃剂的阻燃作用主要体现在火灾初期的高聚物分解阶段，因其能促进聚合物脱水炭化，从而减少聚合物因热分解而产生的可燃气体的数量，并且所生成的炭层还能隔绝氧气和热量。

技术实现要素：

为克服阻燃纸张制备方法繁琐的缺陷，本发明提供纤维素基阻燃剂的制备及其在纸张阻燃方面应用。本发明纤维素基阻燃剂的制备方法简便，原料易得。

具体而言，本发明首先提供一种阻燃纤维素的制备方法，将纤维素、磷源和有机溶剂混合后球磨，制成阻燃纤维素。

本发明通过机械化学法将纤维素解纤的同时并在纤维素纤维上修饰磷元素，既节约了成本又提高了纤维素的阻燃效果。

进一步地，所述纤维素可选自玉米芯纤维素、海藻纤维素、海鞘纤维素或细菌纤维素。

本发明所述玉米芯是指玉米棒脱粒后的棒芯，即玉米穗轴。

进一步地，所述磷源可选自五氧化二磷。

实验表明，本发明方法尤其适用于五氧化二磷。

进一步地，在上述阻燃纤维素的制备方法中还加入催化剂甲烷磺酸。

优选地，以g/ml计，所述纤维素与所述催化剂的重量体积比为12.5:1-5，优选为12.5:2。

进一步地，所述有机溶剂可选自二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺等。

进一步地，以g/ml计，所述纤维素与所述有机溶剂的重量体积比为1:10-30，优选为1:20。

进一步地，研究发现，当所述磷源与纤维素的质量比为(0.5-5):1，尤其是2:1时，所制得的阻燃纤维素阻燃效果更佳。

在本发明一些实施例中，所述磷源与纤维素的质量比可为0.5:1，1:1，2:1，3:1，4:1或5:1。

另外，上述制备方法中，球磨时间一般可为0.5-24h，以0.5-12h为佳。

在本发明一些实施例中，所述球磨时间可为0.5h，1h，1.5h,2h，4h，6h，8h，10h，12h，16h，20h或24h。

一般地，本发明球磨转速为100-540rpm，优选为540rpm。

在本发明较佳的实施例中，所述磷源与纤维素的质量比为2:1，球磨时间为12h。

进一步地，上述制备方法还包括在球磨后进行洗涤的步骤(可用水洗涤)，从而制得阻燃纤维素。

本发明还提供上述方法制备的阻燃纤维素，其阻燃效果好，可进一步与氮源反应制成纤维素基阻燃剂并用于制备阻燃纸张。

优选地，所述氮源为伯胺类化合物，进一步优选为壳聚糖、三聚氰胺、甲胺、乙胺、苯胺、二乙醇胺、乙二胺中的一种或几种；更优选为三聚氰胺。

具体地，本发明还提供一种纤维素基阻燃剂的制备方法，包括按上述方法制成阻燃纤维素，再进一步与所述氮源反应，制成纤维素基阻燃剂。

优选地，所述阻燃纤维素与所述氮源的质量比为1:1-4，更优选为1:2.5。

优选地，所述反应的温度为60-100℃，更优选为95℃。

在本发明具体实施方式中，是将所述阻燃纤维素与三聚氰胺按质量比为1:2.5在95℃条件下混合，制成纤维素基阻燃剂。

进一步地，上述制备方法还包括在混合后进行洗涤的步骤(可用水洗涤)，从而制得纤维素基阻燃剂。

本发明还包括上述方法制备的纤维素基阻燃剂。

本发明还提供一种阻燃纸，含有上述纤维素基阻燃剂。

关于阻燃纸的制备方法可参照现有技术常规方法。

一般地，可采用上述方法制成纤维素基阻燃剂后直接采用现有技术方法制成阻燃纸。例如将上述方法制成纤维素基阻燃剂与纸浆混合，干燥即可制成阻燃纸。

具体地，本发明提供一种阻燃纸的制备方法，包括按上述方法制备纤维素基阻燃剂，再进一步制成阻燃纸；

进一步地，本发明所述阻燃纸中纤维素基阻燃剂的添加量为1-50wt％，优选为30wt％。

本发明制备的阻燃纸，其具有良好的热稳定性、阻燃性、成炭性等特点，阻燃效果优异。

本发明所用原料均可市售购得，或按本领域常规方法制备。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，即得本发明各较佳实例。

有益效果：

1)本发明在纤维素解纤的同时在纤维素的分子链上修饰了磷元素，磷元素的存在会诱导材料在燃烧的过程中快速成炭，形成的炭层相当于一层物理隔层，隔绝了氧气与热量的进入，从而延缓燃烧的程度，使得纸张具有阻燃性能；

2)本发明制备出了纤维素基阻燃剂，采用一步法制备阻燃纤维素，然后与氮源(优选三聚氰胺)反应后得到纤维素基阻燃剂。所制备的阻燃剂用于纸张的阻燃，使得纸张具有良好的热稳定性，阻燃性好，成炭性高等优点。本发明方法还具有原料易得，操作安全，污染低，易于推广应用等优点。

附图说明

图1为阻燃纸进行阻燃性能测试热释放曲线图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

若无特殊指明，以下所用纤维素是指玉米芯纤维素，由济南圣泉基团股份有限公司提供。

实施例1

将五氧化二磷与纤维素按质量比2:1加入到球磨罐中，加入催化剂甲烷磺酸，以g/ml计，所述纤维素与所述催化剂的重量体积比为12.5:2；并向球磨罐中加入n,n-二甲基甲酰胺，以g/ml计，纤维素与n,n-二甲基甲酰胺的重量体积比为1:20。设置球磨时间为12h，球磨转速为540rpm。球磨完成之后，取出球磨好的纤维素并洗涤，制得阻燃纤维素。

将本实施例制得的阻燃纤维素与三聚氰胺按质量比1:2.5在95℃条件下混合1h，然后用水洗涤，制得纤维素基阻燃剂。

将本实施例制得的纤维素基阻燃剂与纸浆混合，干燥得到阻燃纸。

实施例2

阻燃纤维素的制备，与实施例1的区别仅在于：五氧化二磷与纤维素按质量比为1:1，球磨时间为12h。