CN105504309B - 木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素、制备方法及应用 - Google Patents
木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素、制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素、制备方法及应用。材料的主要成分包括工业木质素60～75重量份；多聚甲醛20～28重量份；聚乙烯亚胺5～10重量份；亚磷酸二乙酯2～5重量份；金属配合物3～5重量份。将工业木质素在溶于碱液中，加入多聚甲醛和聚乙烯亚胺，反应第一次改性，调节PH至酸性，过滤析出沉淀；再依次加入多聚甲醛、亚磷酸二乙酯和氢氧化钠溶液，反应第二次改性，调节PH值至酸性，加入金属配合物溶液，过滤干燥并研磨至细粉状制备获得。本发明采用工业纸浆废水中的木质素为原料，通过加入上述物质进行化学改性获得改性工业木质素，集合氮、磷和金属络合物为一体，可用于木塑型材的阻燃。
Description
技术领域
本发明涉及了一种材料、制备方法及应用，特别是涉及了一种木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素、制备方法及应用，环境友好且具有良好阻燃效果。
背景技术
木塑型材是一种主要由木材(木纤维素、植物纤维素)为基础材料与热塑性高分子材料和加工助剂等，混合均匀后再经模具设备加热挤出成型而制成的材料，兼有木材和塑料的性能与特征。能够用于制备木塑型材的高分子材料主要有聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯，然而由于聚氯乙烯在燃烧过程中会释放出氯化氢和其他有毒气体，例如二噁英；在燃烧过程中生烟量在通用塑料品种中最大；进一步燃烧还会生成一氧化碳、二氧化碳、含苯环化合物和炭烟尘，对环境和人身安全有很大危害。因而，目前常用的绿色木塑型材主要为聚乙烯和聚丙烯为主要基材；该种类的高分子基材以及木粉都极易燃烧，因此对木塑型材的应用造成了制约。
为了解决木塑型材防火的问题，目前主要的方法有直接添加阻燃剂，其中以膨胀型阻燃剂较为环保。然而，纯粹通过直接将小分子的季戊四醇和聚磷酸铵复配的方法来制备阻燃添加剂存在以下问题：添加到木塑复合材料中导致加工的粘度增加，加工困难，此外还容易磨损螺杆；在木塑型材中长期使用还会迁移到材料的表面；破坏外观并影响性能。因而大分子的膨胀阻燃剂是目前应用的新趋势。
工业木质素在自然界中来源广泛，工业界的木质素主要来源于造纸废水，工业木质素会造成极大的污染，其综合利用是世界各国聚焦的难题；具有显著的社会价值和经济价值。由于木质素极性强，并且具有较强的分子内氢键，因而与聚乙烯和聚丙烯的界面键合能力比较弱，因而将木质素应用于木塑型材必须将木质素进行改性。目前已有专利报道将改性木质素用于聚乙烯和聚丙烯的阻燃，如专利CN104194371采用溴代十二烷、溴代十六烷、溴代十八烷中的一种或者多种组合对木质素进行改性,虽然制备得到了大分子阻燃剂；但是改性得到的木质素含有卤素，不符合欧盟对阻燃剂添加的环境标准。
发明内容
针对木塑型材体系，主要是针对聚烯烃体系，针对目前木塑型材体系添加型阻燃剂的不足，本发明提出了一种木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素、制备方法及应用，通过对木质素进行改性合成了不含卤素的阻燃工业木质素，具有良好的阻燃效果，应用于聚烯烃类的木塑型材，具有良好的阻燃效果。
本发明所采用的技术方案如下：
一、一种用于木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素：
由以下成分及其重量份配比组成：工业木质素60～75重量份；多聚甲醛20～28重量份；聚乙烯亚胺5～10重量份；亚磷酸二乙酯2～5重量份；金属配合物3～5重量份；
所述的无卤阻燃改性工业木质素采用以下方式制成：
将工业木质素在溶于碱液中，然后加入多聚甲醛和聚乙烯亚胺，在高于常温条件下反应进行第一次改性，接着用10％重量分数的盐酸调节pH至酸性3.5～5，析出沉淀；
过滤干燥后，再依次加入多聚甲醛、亚磷酸二乙酯和氢氧化钠溶液，在高于室温条件下反应进行第二次改性，接着加入10％重量分数的盐酸调节pH值至酸性3.5～5，最后加入金属配合物溶液，过滤干燥并研磨至细粉状，获得无卤阻燃改性工业木质素，包装密封。
所述金属配合物为醋酸铜或醋酸锌。
二、一种用于木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素的制备方法：
将工业木质素溶于碱液中，然后加入多聚甲醛和聚乙烯亚胺，在高于常温条件下反应进行第一次改性，接着用10％重量分数的盐酸调节pH至酸性3.5～5，析出沉淀；
过滤干燥后，再依次加入多聚甲醛、亚磷酸二乙酯和氢氧化钠溶液，在高于室温条件下反应进行第二次改性，接着加入10％重量分数的盐酸调节pH值至酸性3.5～5，最后加入金属配合物溶液，过滤干燥并研磨至细粉状，获得无卤阻燃改性工业木质素，包装密封。
所述的碱液采用NaOH溶液，其浓度为30％质量分数。
所述金属配合物采用醋酸铜或醋酸锌。
所述的第一次改性的反应温度为50-60摄氏度，反应时间为2～3小时。
所述的第二次改性的反应温度为60-80摄氏度，反应时间为2～4小时。
所述改性工业木质素用于阻燃或者制备阻燃材料。
本发明采用工业纸浆废水中的木质素为原料，通过加入上述物质进行化学改性，制备得到的改性工业木质素集合氮、磷和金属络合物为一体，可作为新型阻燃添加剂。其具有良好的阻燃性能，通过熔融共混的加工方法混合到木塑复合材料中，可降低木塑复合料的可燃性。
本发明主要是由于改性工业木质素中的氮能够形成燃烧惰性气体，稀释可燃气体；而改性工业木质素含有的磷能够促进炭层的形成；而体系中的金属锌元素更能催化炭层的形成；从而形成隔离膜，防止燃烧性气体向木塑体系的快速扩散和传递，最终实现阻燃和抑烟的功能。
本发明整个合成过程未添加使用有害溶剂，也没有有害物质生成；不含有生成有毒烟雾的卤素，并且可以有效地阻止木塑型材燃烧并且减少燃烧产生的烟雾；且在木塑型材的加工过程中不会对成型过程造成影响，也不存在迁移至样品表面，影响表面形貌和力学性能的问题。
本发明的有益效果是：
本发明材料具有良好的阻燃性能，对木塑型材具有良好的阻燃效果，并且充分利用了工业排放的废水中的碱木质素，可以减轻环境负担。本发明具有环保高效以及与木塑型材基体界面相容性好的特点。
本发明实施例以聚丙烯木塑体系为例，将按照本发明制造的改性的工业木质素加入木塑体系中，通过熔融共混并且模压成型最后得到木塑型材，由其数据可看出其阻燃性能优异，具有突出显著的技术效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细描述本发明，但本发明的保护范围不局限于所述的实施案例。
本发明的实施例如下：
实施例1
60克工业木质素在溶于碱液，调节PH值至9.5，加入15克多聚甲醛和5克聚乙烯亚胺，50摄氏度条件反应2小时，用盐酸调节PH至3.5，析出沉淀；过滤干燥后加入5克多聚甲醛和2克亚磷酸二乙酯并用氢氧化钠溶液调节PH至8.5，60摄氏度下反应2个小时；加入盐酸调节PH值至3.5，加入3克醋酸锌，过滤干燥并研磨至细粉状；再包装密封。
为了反映本发明的产品的效果，本实施例以聚丙烯木塑体系为例，将制备得到改性工业木质素以3％的比例加入木塑体系中，180摄氏度下通过熔融共混并且模压成型最后得到木塑型材，其阻燃性能和力学性能的参数列于下表1：
表1
由表中可看出，在木塑材料中加入该发明的产品后，点燃时间明显延长，意味着人们在火灾发生时可以有更多的时间逃生；在燃烧过程中的总的热释放量明显降低表示燃烧过程中产生的热量减少，被烧伤的程度会降低；热释放峰值也有所降低意味着在燃烧过程中放热的最大程度得到了抑制；烟密度意味着火灾发生时的单位面积产生烟雾的量减少；所以加入本发明的材料后总体的阻燃性能得到了提升；而加入本发明的材料后，木塑材料的拉伸性能和弯曲性能提高。
实施例2
75克工业木质素在溶于碱液，调节PH值至9，加入20克多聚甲醛和10克聚乙烯亚胺，60摄氏度条件反应3小时，用盐酸调节PH至5，析出沉淀；过滤干燥后加入8克多聚甲醛和5克亚磷酸二乙酯并用氢氧化钠溶液调节PH至9，80摄氏度下反应4个小时；加入盐酸调节PH值至5，加入5克醋酸铜，过滤干燥并研磨至细粉状；再包装密封。
为了反映本发明的产品的效果，本实施例以聚丙烯木塑体系为例，将制备得到改性木质素纤维工业木质素以3％的比例加入木塑体系中，180摄氏度下通过熔融共混并且模压成型最后得到木塑型材，其阻燃性能和力学性能的参数列于下表2：
表2
由表中可看出，在木塑材料中加入该发明的产品后，点燃时间明显延长，意味着人们在火灾发生时可以有更多的时间逃生；在燃烧过程中的总的热释放量明显降低表示燃烧过程中产生的热量减少，被烧伤的程度会降低；热释放峰值也有所降低意味着在燃烧过程中放热的最大程度得到了抑制；烟密度意味着火灾发生时的单位面积产生烟雾的量减少；所以加入本发明的材料后总体的阻燃性能得到了提升；而加入本发明的材料后，木塑材料的拉伸性能和弯曲性能提高。
实施例3
60克工业木质素在溶于碱液，调节PH值至9.5，加入18克多聚甲醛和5克聚乙烯亚胺，55摄氏度条件反应2.5小时，用盐酸调节PH至5.5，析出沉淀；过滤干燥后加入6.5克多聚甲醛和4克亚磷酸二乙酯并用氢氧化钠溶液调节PH至9，70摄氏度下反应3个小时；加入盐酸调节PH值至5，加入4克醋酸锌，过滤干燥并研磨至细粉状；再包装密封。
为了反映本发明的产品的效果，本实施例以聚丙烯木塑体系为例，将制备得到改性木质素纤维工业木质素以3％的比例加入木塑体系中，180摄氏度下通过熔融共混并且模压成型最后得到木塑型材，其阻燃性能和力学性能的参数列于下表3：
表3
由表中可看出，在木塑材料中加入该发明的产品后，点燃时间明显延长，意味着人们在火灾发生时可以有更多的时间逃生；在燃烧过程中的总的热释放量明显降低表示燃烧过程中产生的热量减少，被烧伤的程度会降低；热释放峰值也有所降低意味着在燃烧过程中放热的最大程度得到了抑制；烟密度意味着火灾发生时的单位面积产生烟雾的量减少；所以加入本发明的材料后总体的阻燃性能得到了提升；而加入本发明的材料后，木塑材料的拉伸性能和弯曲性能提高。
实施例4
65克工业木质素在溶于碱液，调节PH值至9.5，加入16克多聚甲醛和8克聚乙烯亚胺，60摄氏度条件反应2小时，用盐酸调节PH至4，析出沉淀；过滤干燥后加入6.5克多聚甲醛和3.5克亚磷酸二乙酯并用氢氧化钠溶液调节PH至8.5，65摄氏度下反应3个小时；加入盐酸调节PH值至4.5，加入3.5克醋酸铜，过滤干燥并研磨至细粉状；再包装密封。
为了反映本发明的产品的效果，本实施例以聚丙烯木塑体系为例，将制备得到改性木质素纤维工业木质素以3％的比例加入木塑体系中，180摄氏度下通过熔融共混并且模压成型最后得到木塑型材，其阻燃性能和力学性能的参数列于下表4：
表4
由表中可看出，在木塑材料中加入该发明的产品后，点燃时间明显延长，意味着人们在火灾发生时可以有更多的时间逃生；在燃烧过程中的总的热释放量明显降低表示燃烧过程中产生的热量减少，被烧伤的程度会降低；热释放峰值也有所降低意味着在燃烧过程中放热的最大程度得到了抑制；烟密度意味着火灾发生时的单位面积产生烟雾的量减少；所以加入本发明的材料后总体的阻燃性能得到了提升；而加入本发明的材料后，木塑材料的拉伸性能和弯曲性能提高。
实施例5
70克工业木质素在溶于碱液，调节PH值至9.5，加入20克多聚甲醛和7.5克聚乙烯亚胺，50摄氏度条件反应2.5小时，用盐酸调节PH至5.5，析出沉淀；过滤干燥后加入6克多聚甲醛和2克亚磷酸二乙酯并用氢氧化钠溶液调节PH至8.5，60摄氏度下反应3个小时；加入盐酸调节PH值至5，加入4.5克醋酸锌，过滤干燥并研磨至细粉状；再包装密封。
为了反映本发明的产品的效果，本实施例以聚丙烯木塑体系为例，将制备得到改性木质素纤维工业木质素以3％的比例加入木塑体系中，180摄氏度下通过熔融共混并且模压成型最后得到木塑型材，其阻燃性能和力学性能的参数列于下表5：
表5
由表中可看出，在木塑材料中加入该发明的产品后，点燃时间明显延长，意味着人们在火灾发生时可以有更多的时间逃生；在燃烧过程中的总的热释放量明显降低表示燃烧过程中产生的热量减少，被烧伤的程度会降低；热释放峰值也有所降低意味着在燃烧过程中放热的最大程度得到了抑制；烟密度意味着火灾发生时的单位面积产生烟雾的量减少；所以加入本发明的材料后总体的阻燃性能得到了提升；而加入本发明的材料后，木塑材料的拉伸性能和弯曲性能提高。
实施例6
70克工业木质素在溶于碱液，调节PH值至9，加入18克多聚甲醛和8.5克聚乙烯亚胺，60摄氏度条件反应2.5小时，用盐酸调节PH至4.5，析出沉淀；过滤干燥后加入7.5克多聚甲醛和4.8克亚磷酸二乙酯并用氢氧化钠溶液调节PH至8.5，70摄氏度下反应3.5个小时；加入盐酸调节PH值至5，加入3克醋酸铜，过滤干燥并研磨至细粉状；再包装密封。
为了反映本发明的产品的效果，本实施例以聚丙烯木塑体系为例，将制备得到改性木质素纤维工业木质素以3％的比例加入木塑体系中，180摄氏度下通过熔融共混并且模压成型最后得到木塑型材，其阻燃性能和力学性能的参数列于下表6：
表6
由表中可看出，在木塑材料中加入该发明的产品后，点燃时间明显延长，意味着人们在火灾发生时可以有更多的时间逃生；在燃烧过程中的总的热释放量明显降低表示燃烧过程中产生的热量减少，被烧伤的程度会降低；热释放峰值也有所降低意味着在燃烧过程中放热的最大程度得到了抑制；烟密度意味着火灾发生时的单位面积产生烟雾的量减少；所以加入本发明的材料后总体的阻燃性能得到了提升；而加入本发明的材料后，木塑材料的拉伸性能和弯曲性能提高。
由上述各个实施例可看出，本发明材料具有良好的阻燃性能，对木塑型材具有良好的阻燃效果，绿色环保高效。
Claims (8)
1.一种用于木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素，其特征在于由以下成分及其重量份配比组成：工业木质素60～75重量份；多聚甲醛20～28重量份；聚乙烯亚胺5～10重量份；亚磷酸二乙酯2～5重量份；金属配合物3～5重量份；
所述的无卤阻燃改性工业木质素采用以下方式制成：
将工业木质素溶于碱液中，然后加入多聚甲醛和聚乙烯亚胺，在高于常温条件下反应进行第一次改性，接着用10％重量分数的盐酸调节pH至酸性3.5～5，析出沉淀；
过滤干燥后，再依次加入多聚甲醛、亚磷酸二乙酯和氢氧化钠溶液，在高于室温条件下反应进行第二次改性，接着加入10％重量分数的盐酸调节pH值至酸性3.5～5，最后加入金属配合物溶液，过滤干燥并研磨至细粉状，获得无卤阻燃改性工业木质素，包装密封。
2.根据权利要求1所述的一种用于木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素，其特征在于：所述金属配合物为醋酸铜或醋酸锌。
3.根据权利要求1所述的一种用于木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素的制备方法，其特征在于：将工业木质素溶于碱液中，然后加入多聚甲醛和聚乙烯亚胺，在高于常温条件下反应进行第一次改性，接着用10％重量分数的盐酸调节pH至酸性3.5～5，析出沉淀；
过滤干燥后，再依次加入多聚甲醛、亚磷酸二乙酯和氢氧化钠溶液，在高于室温条件下反应进行第二次改性，接着加入10％重量分数的盐酸调节pH值至酸性3.5～5，最后加入金属配合物溶液，过滤干燥并研磨至细粉状，获得无卤阻燃改性工业木质素，包装密封。
4.根据权利要求3所述的一种用于木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素的制备方法，其特征在于：所述的碱液采用NaOH溶液，其浓度为30％质量分数。
5.根据权利要求3所述的一种用于 木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素的制备方法，其特征在于：所述金属配合物采用醋酸铜或醋酸锌。
6.根据权利要求3所述的一种用于木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素的制备方法，其特征在于：所述的第一次改性的反应温度为50-60摄氏度，反应时间为2～3小时。
7.根据权利要求3所述的一种用于木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素的制备方法，其特征在于：所述的第二次改性的反应温度为60-80摄氏度，反应时间为2～4小时。
8.根据权利要求1或2所述的一种用于木塑型材的无卤阻燃改性工业木质素的应用，其特征在于：所述改性工业木质素用于阻燃或者制备阻燃材料。
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