鎂鋁水滑石 三氧化二銻復合阻燃紙的性能研究

摘要：本文以聚乙烯醇（PVA）為載體，等質量添加MA-LDHs和AT阻燃劑，制備阻燃液，再通過涂布工藝，在紙張兩面涂布阻燃液，制備阻燃紙，測試了阻燃紙的相關性能。結果表明，隨著阻燃劑用量的增加，阻燃紙的縱向、橫向抗張強度均呈現先上升后下降的趨勢，而撕裂度先下降后上升。阻燃紙的阻燃性能均符合標準要求，平時續燃時間為0s，平均灼燃時間≤35s，平均炭化長度≤45.5mm。MA-LDHs和AT復合阻燃劑是比較理想的紙用阻燃劑，少量添加即可達到優異的阻燃性能。

關鍵詞：鎂鋁水滑石；三氧化二銻；阻燃；阻燃紙

引言

隨著經濟的飛速發展，市場對紙和紙板的要求越來越高，許多應用場景要求紙張具有阻燃性[1]，如防火紙板、家居墻面的裝飾紙制品、需要阻燃的物品包裝[2-4]等。防火阻燃紙成為研究的熱點問題。對紙品進行阻燃處理，一般有以下幾種途徑，即浸漬法、涂布法、內添法和噴霧法。其中，涂布法在紙的表面上阻燃劑比較集中，對紙的物理性能影響較小，是最常用的方法。鎂鋁水滑石（MA-LDHs）是一種綠色無毒且高效的優質阻燃劑，同時具有氫氧化鎂、氫氧化鋁的抑煙作用和阻燃作用，作為阻燃劑被添加到多種材料中，顯示出突出的吸熱、隔氧等作用[5-7]。三氧化二銻（AT）是一種性能優良的阻燃協效劑。Torun Sevda Boran將AT分別以4%和8%的濃度添加到三聚氰胺甲醛（MF）黏合劑中，以生產纖維板面板。結果表明，AT作為阻燃劑顯著提高了纖維板的阻燃性能[8]。然而，AT在燃燒過程中會產生大量煙氣，成本較高，限制了應用，而HT優良的抑煙作用恰恰彌補了AT的發煙短板。有研究表明，AT與水滑石添加到ABS塑料中顯示了良好的協同作用[9]。本文以聚乙烯醇（PVA）為載體，等質量添加MA-LDHs和AT阻燃劑，制備阻燃液，解決了阻燃劑不易分散的問題。通過涂布工藝，將阻燃液涂布于紙張兩面，制成阻燃紙，測試阻燃紙的性能，評估阻燃劑的最優添加量。

一、實驗部分

（一）實驗用原料

原紙（定量70g/m2）；MA-LDHs（微米級），購自山東優索化工科技有限公司；PVA（1799），磷酸三丁酯，AT（微米級），硅烷偶聯劑Y-縮水甘油氧丙基三甲基硅烷（KH560），無水乙醇，冰醋酸，購自天津市樂泰化工連鎖超市。

（二）實驗用儀器設備

紙張抗張試驗機（DCP－KZ1000）與紙張撕裂度測定儀（YQ-Z-20），由四川長江造紙儀器有限公司制造。

（三）實驗用標準

抗張強度按照GB/T 12914-2018標準測定，撕裂度按照GB/T 455-2002標準測定，燃燒性能按照GBT 14656-2009標準測定。

（四）實驗工藝流程

1.MA-LDHs和AT的表面改性

對MA-LDHs和AT進行KH560表面改性。將適量MA-LDHs或者AT與去離子水加入到圓底燒瓶中，持續攪拌30min，攪拌速度為500r/min。取5%的KH560添加到無水乙醇中，使用冰醋酸調節溶液的pH值為5。將KH560溶液緩慢滴入MA-LDHs或者AT的漿液中，持續攪拌4h，攪拌速度為350r/min，得到混合漿液。將混合漿液離心，100℃真空干燥12h，得到改性的MA-LDHs和AT。

2.阻燃液的制備

將PVA與蒸餾水按照質量比12：88加入三頸瓶中，90℃水浴加熱2小時，降溫至室溫，再用三層脫脂紗布過濾，將濾液稱重。將等質量的改性MA-LDHs、AT與一定量的水混合攪拌10min，然后分2次加入PVA溶液中，繼續攪拌30min，攪拌速度為300r/min。靜置，去掉上層阻燃液，備用。

3.阻燃紙的制備

將上述阻燃液按照一定的質量通過涂布器涂布于紙張兩面，60℃烘箱干燥，壓平，進行性能測試。涂布后，〖JP3〗兩面阻燃劑的涂布量分別為16g/m2、32g/m2、48g/m2和64g/m2。

二、結果與討論

（一）抗張強度

由圖1可知，涂布阻燃劑后，阻燃紙的縱向、橫向抗張強度均呈現先上升后下降的趨勢，縱向抗張強度明顯大于橫向抗張強度。這是由于阻燃劑用量較低（lt;16g/m2）時，涂布于紙張表面的阻燃劑與PVA一起在干燥后形成致密的涂層結構，PVA分子鏈中的羥基可以與紙張纖維分子鏈中的羥基形成一定的氫鍵結合，使得阻燃紙的抗張強度上升；當阻燃劑含量較大（gt;16g/m2）時，隨著涂布阻燃劑用量的增多，干燥后在紙張表面形成的涂層脆性增加，彈性下降，使紙張變得較為硬脆，韌性變差，不能承受較大的負荷，導致抗張強度下降。

（二）撕裂度

由圖1可知，當阻燃劑用量為16g/m2時，與未涂布紙比較，紙張的撕裂度有所下降，之后隨著阻燃劑用量的增加，紙張的撕裂度上升。在相同的阻燃劑用量時，阻燃紙的縱向撕裂度與橫向撕裂度差別不大。紙的撕裂度與纖維的交織情況、纖維間結合力及阻燃膜強度密切相關。涂布阻燃劑后（阻燃劑用量為16g/m2），阻燃液滲入紙張纖維之間，使得部分紙纖維“解纏結”，同時增加了紙纖維之間的距離，降低了纖維間結合力，此時雖然涂層的強度較高，但涂布薄，不足以彌補因部分纖維“解纏結”和纖維間結合力下降造成的影響，因此撕裂度下降。隨著阻燃劑用量的增加（gt;16g/m2），阻燃膜越來越厚，阻燃膜的影響越來越大，同時阻燃膜的流動性變差，滲入紙張內部的阻燃液減少，對纖維的“解纏結”作用和纖維間結合力的負影響下降，阻燃紙的撕裂度又緩慢上升。本文選用的原紙的縱向和橫向撕裂度差別較小，隨著阻燃劑用量的增加，縱向和橫向的撕裂度相差不大。

（三）阻燃紙的阻燃性能

根據GB/T 14656-2009，將紙片裁成70mm×210mm的紙條。記錄實驗紙條的續燃時間、灼燃時間和炭化長度。參照GB/T 14656-2009的要求，紙或紙板的燃燒性能要求包括平均續燃時間≤5s、平均灼燃時間≤60s、平均炭化長度≤115mm。表1列出了阻燃劑用量對阻燃紙燃燒性能的影響，圖3顯示了燃燒后阻燃紙的照片。

涂布阻燃劑后，所有阻燃紙的阻燃性能均符合標準要求，平時續燃時間為0s，平均灼燃時間≤35s，平均炭化長度≤45.5mm。隨著阻燃劑用量的增加，阻燃紙的平均灼燃時間和平均炭化長度下降。MA-LDHs在燃燒過程中大量吸熱，分解產生的水和CO2能夠稀釋可燃氣體，同時燃燒產物——多孔金屬氧化物附著于紙表面，阻止熱傳遞。AT的燃燒產物在紙表面形成保護膜，隔絕氧氣，阻止進一步燃燒。兩者共同作用的結果賦予紙張優異的阻燃性能。

結語

本文使用PVA為載體，等質量添加MA-LDHs和AT阻燃劑，制備阻燃液。通過涂布工藝，將阻燃液涂布于紙張兩面，干燥后制成阻燃紙，測試了阻燃紙的性能，得到以下結論。

第一，涂布阻燃劑后，阻燃紙的縱向、橫向抗張強度均呈現先上升后下降的趨勢。第二，當阻燃劑用量為16g/m2時，與未涂布紙比較，紙張的撕裂度有所下降，之后隨著阻燃劑用量的增加，紙張的撕裂度上升。第三，涂布阻燃劑后，阻燃紙獲得了優異的阻燃性能。總之，MA-LDHs和AT復合阻燃劑是比較理想的紙用阻燃劑，少量添加即可達到優異的阻燃性能。

參考文獻

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作者簡介：刁碩（1986— ），女，蒙古族，吉林白城人，本科，研究方向：阻燃材料。