CN101050559A - 一种纳米SiO2阻燃粘胶纤维及膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米SiO2阻燃粘胶纤维及膜的制备方法，特别是涉及一种由纤维素与SiO2组成的阻燃粘胶纤维及纤维素/SiO2的有机－无机聚合物纳米复合膜的制备。将一定质量的硅溶胶加入到组成为α－纤维素质量百分含量为6～9％、氢氧化钠质量百分比含量为5～6％的粘胶溶液(纤维素磺酸盐的氢氧化钠水溶液)中，在10～50℃下，充分搅拌混合、脱泡得到粘胶－硅溶胶溶液。再将粘胶－硅溶胶溶液加入到由硫酸、硫酸钠、硫酸锌及水配成的凝固酸浴中，在10～100℃下凝固，经过纺丝可以得到纳米SiO2阻燃粘胶纤维，通过涂膜可以制成纤维素/SiO2的有机－无机聚合物纳米复合膜，阻燃粘胶纤维及膜具有耐热、阻燃的特点。

Description

一种纳米SiO2阻燃粘胶纤维及膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米SiO2阻燃粘胶纤维及膜的制备方法，是采用粘胶法，以粘胶(即纤维素磺酸盐的氢氧化钠水溶液)和硅溶胶为原料，通过混合、脱泡、抽丝、再生、水洗、碱洗等工艺过程，实现纳米SiO2阻燃粘胶纤维及膜的制备，特别是涉及一种由纤维素与二氧化硅(SiO2)组成的阻燃粘胶纤维及纤维素/SiO2的有机-无机聚合物纳米复合膜的制备方法，属于高分子材料领域。
技术背景：
纤维素可以用于制造纤维、塑料、胶片、薄膜等，在民用、工业、医学、国防和科学研究等方面都有着广泛的用途。纤维素的资源是无限的，充分利用这一丰富的资源来发展纤维素工业，具有长远的、重要的意义，而且，再生纤维素同天然纤维素一样是环境友好的，可以再生和自然降解。
再生纤维素纤维，即粘胶纤维可以替代棉纤维，可以纯纺，也可以与其他纤维如涤纶混纺，制成纺织品。目前已有的技术是采用粘胶法生产纤维素纤维，但是存在环境污染的问题；铜氨溶液法只是在极少数企业采用；N-甲基吗啉-N-氧化物绿色溶剂法生产Lycell(莱赛尔)纤维，存在技术难度大不宜被采用，我国也只是处在中试生产水平，因此，仍然采用粘胶法生产改性、功能化再生纤维素纤维，依然有重要的实际意义。再生纤维素纤维遇火燃烧只发生炭化，因此可以用作服装面料如部队作战服、消防服、床上用品以及老人、儿童、病人服装等，弥补热塑性纤维的不足。现有的再生纤维素纤维阻燃改性主要使用膦酸酯类阻燃剂和聚硅酸盐类阻燃剂，如Clarian公司的Exolit阻燃剂及阻燃粘胶纤维和Kemira公司的Visil纤维等，虽然符合阻燃剂的无卤化、低毒、抑烟等要求，但是存在制备难度大，在生产原料及生产过程中存在环境污染问题，因此，无机阻燃剂及无机阻燃材料将是所有材料阻燃改性的发展方向。
纳米SiO2可以用于高分子材料中，制备聚合物/纳米复合材料，提高材料的力学性能和热性能等，在再生纤维素/纳米SiO2复合材料的研究中也取得了一定的进展，SiO2添加到再生纤维素中，一方面可以提高纤维素材料的耐热性能、阻燃性能，另一方面，高添加量的SiO2可以替代部分纤维素，可以较大程度减少粘胶生产过程中带来的环境污染问题。因此，纳米SiO2的应用，对粘胶纤维和玻璃纸等再生纤维素工业，可以减少污染、降低成本、提高产品附加值，但是在制备聚合物/纳米复合材料采用硅酸盐作为纳米SiO2的前驱物，因为含有较高浓度的氧化钠或氧化钾成分，在进入凝固浴后，硅酸盐发生酸解，一方面消耗凝固浴中的硫酸，生成大量的硫酸盐，另一方面影响凝固浴中硫酸及硫酸盐的组成，对凝固浴的处理带来较大的工作量。
发明内容：
本发明的目在于克服现有技术中存在的不足，提供一种纳米SiO2阻燃粘胶纤维及膜的制备方法，包括混合、脱泡、抽丝、水洗、碱洗等工艺过程，是将硅溶胶加入到粘胶溶液(纤维素磺酸盐的氢氧化钠水溶液)中，进行搅拌混合；然后在18℃下，对混合溶液进行真空脱泡处理，去除其中所含的气体，得粘胶-硅溶胶溶液；再将粘胶-硅溶胶溶液加到凝固酸浴中，进行凝固，粘胶与凝固浴中的硫酸发生反应再生成纤维素，硅溶胶在酸性条件下凝胶化生成SiO2，在凝固浴中抽丝，再经水洗、碱洗得到纳米SiO2阻燃粘胶纤维，将粘胶-硅溶胶溶液涂成薄膜进入凝固浴可得到纤维素/SiO2的有机-无机聚合物纳米复合膜。
为了实现上述发明目的，本发明的阻燃粘胶纤维及纤维素/SiO2复合膜的制备分为两步：
第一步：粘胶-硅溶胶溶液的制备
将硅溶胶加入到粘胶溶液中(纤维素磺酸盐的氢氧化钠水溶液)，进行搅拌混合、真空脱泡处理，去除粘胶-硅溶胶溶液中所含的气体。
所采用的硅溶胶可以是碱性的硅溶胶，也可以是酸性的硅溶胶，硅溶胶中SiO2的最佳含量是10～40％，硅溶胶的最佳加入量为按SiO2计算占粘胶中α-纤维素质量的15～30％。
第二步：阻燃粘胶纤维及膜的制备
将粘胶-硅溶胶溶液加到凝固酸浴中抽丝，粘胶与凝固浴中的硫酸发生反应再生成纤维素，硅溶胶在酸性条件下凝胶化生成二氧化硅(SiO2)，生成纤维素-二氧化硅初生丝，初生丝再经过牵伸、水洗、碱洗等过程得到阻燃粘胶纤维。
将粘胶-硅溶胶溶液涂成薄膜，加到凝固酸浴中再生、凝胶化可得到纤维素/SiO2的有机-无机聚合物纳米复合膜。
凝固浴最佳组成为硫酸100～130克/升、硫酸钠270～340克/升、硫酸锌0～11克/升、其他成分是水，酸浴温度最佳为30～50℃，凝固时间最佳为0.5～10秒。
本发明方法工艺简单，易操作，用该制备方法制得的阻燃粘胶纤维及膜具有较好的阻燃、耐热效果。
具体实施方式：
本发明可按下列实施例进行具体说明其制备过程和效果。
实施例1：
取31.25克Si02含量为20％的碱性硅溶胶，加入到500克α-纤维素含量为8.35％(质量)、氢氧化钠含量为5.8％(质量)的粘胶水溶液中，在18℃下搅拌0.5小时，然后在18℃下进行真空脱泡处理8小时，去除溶液中所含的气体，得到粘胶-硅溶胶溶液。
取少许粘胶-硅溶胶溶液，在平板上用涂布器涂成均匀的薄膜，然后将薄膜放入到硫酸含量为100克/升、硫酸钠270克/升及水配成的凝固浴中，在50℃下反应10秒，得到SiO2含量为15％的纤维素/SiO2的有机-无机聚合物纳米复合膜。
纤维素/SiO2的有机-无机聚合物纳米复合膜在火中点燃，离开火源后可以自熄，极限氧指数为27.0％，膜中SiO2的粒径在20nm左右。
实施例2：
取实施例1中粘胶-硅溶胶溶液，通过纺丝机以80米/秒的速度进入凝固浴中抽丝生成初生丝。凝固浴组成为硫酸含量为130克/升、硫酸钠270克/升、硫酸锌11克/升及水，温度为50℃。初生丝再经过牵伸、水洗、碱洗等过程，得到纳米SiO2阻燃粘胶纤维。
阻燃粘胶纤维的干强为2.36cN/dtex，湿强为1.31cN/dtex，干伸为14.6％，极限氧指数为27.3％，阻燃粘胶纤维中SiO2的粒径在20nm左右。

Claims (4)

1、一种纳米SiO2阻燃粘胶纤维及膜的制备方法，包括混合、脱泡、抽丝、水洗、碱洗工艺过程，其特征在于将硅溶胶加入到粘胶溶液即纤维素磺酸盐的氢氧化钠水溶液中，进行搅拌混合；然后在18℃下，对混合溶液进行真空脱泡处理，去除其中所含的气体，得粘胶-硅溶胶溶液；再将粘胶-硅溶胶溶液加到凝固酸浴中，进行凝固，粘胶与凝固浴中的硫酸发生反应再生成纤维素，硅溶胶在酸性条件下凝胶化生成SiO2，在凝固浴中抽丝，再经水洗、碱洗得到纳米SiO2阻燃粘胶纤维，将粘胶-硅溶胶溶液涂成薄膜进入凝固浴得到纤维素/SiO2的有机-无机聚合物纳米复合膜。
2、根据权利要求1所述的一种纳米SiO2阻燃粘胶纤维及膜的制备方法，其特征在于粘胶溶液中α-纤维素质量含量为8.35％，氢氧化钠质量含量为5.8％。
3、根据权利要求1所述的一种纳米SiO2阻燃粘胶纤维及膜的制备方法，其特征在于所采用的硅溶胶是碱性或酸性的硅溶胶，硅溶胶中SiO2的含量是10～40％，硅溶胶的加入量为按SiO2计算占粘胶中α-纤维素质量的15～30％。
4、根据权利要求1所述的一种纳米SiO2阻燃粘胶纤维及膜的制备方法，其特征在于凝固酸浴的组成为硫酸100～130克/升，硫酸钠270～340克/升，硫酸锌0～11克/升，温度为30～50℃，凝固时间为0.5～10秒。
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