CN107142779A - 一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸及其制备方法 - Google Patents

一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸及其制备方法，该阻燃纸的阻燃成分为纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊和镁铝水滑石，具体制备方法为：将纤维素分散于浓硫酸溶液中，加热水解，充分水洗离心至中性，得到纳米纤维素晶须；将海泡石经酸处理活化，浸渍于三氧化二梯溶液中，搅拌均匀后，加入硅藻土，加热搅拌，去除溶剂，烘干固化后粉碎，得到阻燃微胶囊；将纳米纤维素晶须和阻燃微胶囊充分混合，再加入到针叶木浆和阔叶木浆1:1混合而成纸浆中搅拌，最后加入镁铝水滑石，得到阻燃纸浆；将阻燃纸浆在纸页成型器上抄制成纸页，压榨烘干得到基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸。本发明制备的阻燃纸保持了完成的纤维网络骨架结构，机械性和密集度更好，且燃烧平缓，抑烟性好。

Description

一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸及其制备方法
技术领域
本发明属于阻燃纸制材料技术领域，具体涉及一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸及其制备方法。
背景技术
众所周知，植物纤维是一种易燃物质。各种植物纤维纸基材料，包括间壁纸板等建筑材料、壁纸等室内纸质装饰材料、纸箱等纸包装材料是引起火灾的一类易燃材料，阻燃处理后的植物纤维纸一般较难引燃或引燃时间长，能够抑制火焰的传播，其热释放速率也较低，被引燃的纸张可以自熄，或者可以延长闪燃时间，这样就给人员疏散和财产抢救等提供了更多的时间。在火灾中，人员伤亡最主要的原因是吸入了燃烧过程释放的烟雾，所以理想的阻燃纸不仅要保证植物纤维纸具有高阻燃性和抑烟性，同时又能兼顾其本身的物理性能和后加工性能。
纸张燃烧时，纤维素热解可发生任意键的断裂，生成羟基自由基(HO·)，羟基自由基又可使纤维素大分子分解生成碳氢化合物自由基(RCH2·)和水等。在氧存在的条件下，碳氢化合物自由基可分解产生新的羟基自由基，这样就形成循环反应。在燃烧过程中，纤维素不断分解生成葡萄糖、可燃性焦油和挥发性气体等易燃物质。对植物纤维纸进行阻燃，就是设法阻碍纤维的热分解，抑制可燃性气体的生成，或者通过隔离热和空气及稀释可燃性气体来达到目的。
植物纤维纸的阻燃机理按阻燃模式可分为凝聚相阻燃机理和气相阻燃机理,凝聚相阻燃机理主要有助于纸张的炭化，而气相阻燃机理则主要是减缓火焰中的链式氧化反应。中国专利CN 106120431A公开的一种阻燃抑烟植物纤维纸基材料及其制备方法，该阻燃抑烟植物纤维纸基材料由再生植物纤维、复合阻燃抑烟剂和助留剂加工而成，其中复合阻燃抑烟剂由聚磷酸铵、硅藻土和纳米二氧化钛组成，助留剂为阳离子聚丙烯酰胺和硅溶胶双元助留体系。中国专利CN 105672028A公开的一种阻燃植物纤维及阻燃纸，该阻燃纸包括植物纤维浆料和阻燃剂，其中阻燃纸由氯化镁、氨水、漂白阔叶植物纤维木浆和超细二氧化硅填料组成，利用氯化镁和氨水对漂白阔叶植物纤维进行改性，使植物纤维额内部生成氢氧化镁阻燃剂，然后将二氧化硅引入纤维细胞内部进行协同阻燃，提高纸张的阻燃性能。由上述现有技术可知，通过凝胶材料、纳米物质和化学阻燃剂相结合可以对植物纤维进行阻燃改性，赋予纸张阻燃性能，但是阻燃性能与纸张物理性能和后加工性能难以两全，因此仍然需要寻求良好的阻燃优质纸材。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸及其制备方法，采用纳米纤维素晶须将阻燃的微胶囊和镁铝水滑石均匀地分散到纸浆中，使本发明制备的阻燃纸保持了完成的纤维网络骨架结构，机械性和密集度更好，且燃烧平缓，抑烟性好。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸，其特征在于，所述基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸中含有纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊和镁铝水滑石，所述阻燃微胶囊由海泡石、三氧化二梯和硅藻土构成。
作为上述技术方案的优选，所述基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸的纸浆由针叶木浆和阔叶木浆混合而成。
本发明还提供一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将纤维素分散于浓硫酸溶液中，加热水解，充分水洗离心至中性，得到纳米纤维素晶须；
(2)将海泡石经酸处理活化，浸渍于三氧化二梯溶液中，搅拌均匀后，加入硅藻土，加热搅拌，去除溶剂，烘干固化后粉碎，得到阻燃微胶囊；
(3)将步骤(1)制备的纳米纤维素晶须和步骤(2)制备的阻燃微胶囊充分混合，再加入到针叶木浆和阔叶木浆1:1混合而成纸浆中搅拌，最后加入镁铝水滑石，得到阻燃纸浆；
(4)将步骤(3)制备的阻燃纸浆在纸页成型器上抄制成纸页，压榨烘干得到基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，浓硫酸溶液的浓度为40-45％，浓硫酸与纤维素的料液比为100ml:3-5g。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，加热水解的温度为60-80℃，时间为6-8h。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，酸处理活化的方法为：将80-100目的海泡石加入到1mol/L的盐酸溶液中，固液比为1:10-15，在60℃下处理5h。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，三氧化二梯溶液的浓度为3m g/mL。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，海泡石、三氧化二梯和硅藻土的质量比为1:0.2-0.3:1.2-1.5。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，阻燃纸浆中纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊和镁铝水滑石的总含量为20-25％，纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊、镁铝水滑石的质量比为1.2：0.5-0.6:0.1-0.2。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，纸页的定量为100g/m2,压榨的压力为2.5kg/cm2，压榨的时间为5min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸中含有镁铝水滑石，镁铝水滑石是层状双金属氢氧化物，镁铝水滑石是由带正电荷的复合金属氢氧化物和层间带负电的阴离子以及层间结晶水构成的层状化合物。镁铝水滑石的特殊层状结构赋予其较大的表面积和较多的表面吸附活性中心，可以吸附于纳米纤维素晶须表面，或者吸附到阻燃微胶囊表面，分布于纸浆中，起到高效、无卤、无毒、低烟的阻燃作用。
(2)本发明制备的基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸中含有纳米纤维素晶须，纳米纤维素晶须的原料也为纤维素，表面存在大量类似羟基等亲水性基团，与纸浆的亲和力好，有利于阻燃剂的均匀分散，成膜性也好，有利于纸张的成型。
(3)本发明制备的基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸中含有阻燃微胶囊，阻燃微胶囊由海泡石、三氧化二梯和硅藻土构成，海泡石具有孔隙结构，可以将三氧化二梯吸附其中，再经由硅藻土包覆形成微胶囊结构，该阻燃微胶囊中将三种材料都具有一定的阻燃效果，将三者结合协同效果更佳明显，更佳有利于提高极限氧指数和阻燃性能，还具有一定的隔热性能，而且吸附性能好，可以吸附到纳米纤维素晶须表面均匀的额分布到纸浆中，赋予纸材优异的性能。
(4)本发明制备的阻燃纸保持了完成的纤维网络骨架结构，机械性和密集度更好，且燃烧平缓，抑烟性好，是一种复合阻燃材料，可适用于多种领域。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
(1)按照浓硫酸与纤维素的料液比为100ml:3g，将纤维素分散于40％的浓硫酸溶液中，在60℃下加热水解6h，充分水洗离心至中性，得到纳米纤维素晶须。
(2)将80目的海泡石加入到1mol/L的盐酸溶液中，固液比为1:10，在60℃下处理5h，得到酸活化处理的海泡石，按照海泡石、三氧化二梯和硅藻土的质量比为1:0.2:1.2，浸渍于3mg/mL三氧化二梯溶液中，搅拌均匀后，加入硅藻土，在50℃下加热搅拌30min，去除溶剂，烘干固化后粉碎，得到阻燃微胶囊。
(3)按照纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊、镁铝水滑石的质量比为1.2：0.5:0.1，将纳米纤维素晶须和阻燃微胶囊充分混合，再加入到针叶木浆和阔叶木浆1:1混合而成纸浆中搅拌，最后加入镁铝水滑石，得到阻燃纸浆，其中，阻燃纸浆中纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊和镁铝水滑石的总含量为20％。
(4)将阻燃纸浆在纸页成型器上抄制成定量为100g/m2的纸页，在2.5kg/c m2压力下压榨5min，烘干得到基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸。
实施例2：
(1)按照浓硫酸与纤维素的料液比为100ml:5g，将纤维素分散于45％的浓硫酸溶液中，在80℃下加热水解8h，充分水洗离心至中性，得到纳米纤维素晶须。
(2)将100目的海泡石加入到1mol/L的盐酸溶液中，固液比为1:15，在60℃下处理5h，得到酸活化处理的海泡石，按照海泡石、三氧化二梯和硅藻土的质量比为1:0.3:1.5，浸渍于3mg/mL三氧化二梯溶液中，搅拌均匀后，加入硅藻土，在50℃下加热搅拌60min，去除溶剂，烘干固化后粉碎，得到阻燃微胶囊。
(3)按照纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊、镁铝水滑石的质量比为1.2：0.6:0.2，将纳米纤维素晶须和阻燃微胶囊充分混合，再加入到针叶木浆和阔叶木浆1:1混合而成纸浆中搅拌，最后加入镁铝水滑石，得到阻燃纸浆，其中，阻燃纸浆中纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊和镁铝水滑石的总含量为25％。
(4)将阻燃纸浆在纸页成型器上抄制成定量为100g/m2的纸页，在2.5kg/cm2压力下压榨5min，烘干得到基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸。
实施例3：
(1)按照浓硫酸与纤维素的料液比为100ml:4g，将纤维素分散于42％的浓硫酸溶液中，在75℃下加热水解7h，充分水洗离心至中性，得到纳米纤维素晶须。
(2)将90目的海泡石加入到1mol/L的盐酸溶液中，固液比为1:13，在60℃下处理5h，得到酸活化处理的海泡石，按照海泡石、三氧化二梯和硅藻土的质量比为1:0.25:1.4，浸渍于3mg/mL三氧化二梯溶液中，搅拌均匀后，加入硅藻土，在50℃下加热搅拌45min，去除溶剂，烘干固化后粉碎，得到阻燃微胶囊。
(3)按照纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊、镁铝水滑石的质量比为1.2：0.55:0.15，将纳米纤维素晶须和阻燃微胶囊充分混合，再加入到针叶木浆和阔叶木浆1:1混合而成纸浆中搅拌，最后加入镁铝水滑石，得到阻燃纸浆，其中，阻燃纸浆中纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊和镁铝水滑石的总含量为21％。
(4)将阻燃纸浆在纸页成型器上抄制成定量为100g/m2的纸页，在2.5kg/cm2压力下压榨5min，烘干得到基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸。
实施例4：
(1)按照浓硫酸与纤维素的料液比为100ml:3.5g，将纤维素分散于43％的浓硫酸溶液中，在65℃下加热水解6.5h，充分水洗离心至中性，得到纳米纤维素晶须。
(2)将100目的海泡石加入到1mol/L的盐酸溶液中，固液比为1:13，在60℃下处理5h，得到酸活化处理的海泡石，按照海泡石、三氧化二梯和硅藻土的质量比为1:0.3:1.2，浸渍于3mg/mL三氧化二梯溶液中，搅拌均匀后，加入硅藻土，在50℃下加热搅拌45min，去除溶剂，烘干固化后粉碎，得到阻燃微胶囊。
(3)按照纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊、镁铝水滑石的质量比为1.2：0.5:0.2，将纳米纤维素晶须和阻燃微胶囊充分混合，再加入到针叶木浆和阔叶木浆1:1混合而成纸浆中搅拌，最后加入镁铝水滑石，得到阻燃纸浆，其中，阻燃纸浆中纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊和镁铝水滑石的总含量为23％。
(4)将阻燃纸浆在纸页成型器上抄制成定量为100g/m2的纸页，在2.5kg/cm2压力下压榨5min，烘干得到基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸。
实施例5：
(1)按照浓硫酸与纤维素的料液比为100ml:4.5g，将纤维素分散于43％的浓硫酸溶液中，在75℃下加热水解7h，充分水洗离心至中性，得到纳米纤维素晶须。
(2)将80目的海泡石加入到1mol/L的盐酸溶液中，固液比为1:15，在60℃下处理5h，得到酸活化处理的海泡石，按照海泡石、三氧化二梯和硅藻土的质量比为1:0.2:1.4，浸渍于3mg/mL三氧化二梯溶液中，搅拌均匀后，加入硅藻土，在50℃下加热搅拌45min，去除溶剂，烘干固化后粉碎，得到阻燃微胶囊。
(3)按照纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊、镁铝水滑石的质量比为1.2：0.6:0.1，将纳米纤维素晶须和阻燃微胶囊充分混合，再加入到针叶木浆和阔叶木浆1:1混合而成纸浆中搅拌，最后加入镁铝水滑石，得到阻燃纸浆，其中，阻燃纸浆中纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊和镁铝水滑石的总含量为21％。
(4)将阻燃纸浆在纸页成型器上抄制成定量为100g/m2的纸页，在2.5kg/cm2压力下压榨5min，烘干得到基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸。
实施例6：
(1)按照浓硫酸与纤维素的料液比为100ml:4.5g，将纤维素分散于45％的浓硫酸溶液中，在65℃下加热水解8h，充分水洗离心至中性，得到纳米纤维素晶须。
(2)将80目的海泡石加入到1mol/L的盐酸溶液中，固液比为1:15，在60℃下处理5h，得到酸活化处理的海泡石，按照海泡石、三氧化二梯和硅藻土的质量比为1:0.25:1.4，浸渍于3mg/mL三氧化二梯溶液中，搅拌均匀后，加入硅藻土，在50℃下加热搅拌60min，去除溶剂，烘干固化后粉碎，得到阻燃微胶囊。
(3)按照纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊、镁铝水滑石的质量比为1.2：0.53:0.17，将纳米纤维素晶须和阻燃微胶囊充分混合，再加入到针叶木浆和阔叶木浆1:1混合而成纸浆中搅拌，最后加入镁铝水滑石，得到阻燃纸浆，其中，阻燃纸浆中纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊和镁铝水滑石的总含量为23％。
(4)将阻燃纸浆在纸页成型器上抄制成定量为100g/m2的纸页，在2.5kg/cm2压力下压榨5min，烘干得到基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸。
经检测，实施例1-6制备的基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸以及现有技术的阻燃纸材的放热情况、抑烟情况、阻燃情况的结果如下所示：
由上表可见，本发明制备的基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸阻燃性能显著提高，抑烟效果好，而且纸张的机械强度略微提高。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸，其特征在于，所述基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸中含有纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊和镁铝水滑石，所述阻燃微胶囊由海泡石、三氧化二梯和硅藻土构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸，其特征在于，所述基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸的纸浆由针叶木浆和阔叶木浆混合而成。
3.一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将纤维素分散于浓硫酸溶液中，加热水解，充分水洗离心至中性，得到纳米纤维素晶须；
(2)将海泡石经酸处理活化，浸渍于三氧化二梯溶液中，搅拌均匀后，加入硅藻土，加热搅拌，去除溶剂，烘干固化后粉碎，得到阻燃微胶囊；
(3)将步骤(1)制备的纳米纤维素晶须和步骤(2)制备的阻燃微胶囊充分混合，再加入到针叶木浆和阔叶木浆1:1混合而成纸浆中搅拌，最后加入镁铝水滑石，得到阻燃纸浆；
(4)将步骤(3)制备的阻燃纸浆在纸页成型器上抄制成纸页，压榨烘干得到基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸。
4.根据权利要求3所述的一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，浓硫酸溶液的浓度为40-45％，浓硫酸与纤维素的料液比为100ml:3-5g。
5.根据权利要求3所述的一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，加热水解的温度为60-80℃，时间为6-8h。
6.根据权利要求3所述的一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，酸处理活化的方法为：将80-100目的海泡石加入到1mol/L的盐酸溶液中，固液比为1:10-15，在60℃下处理5h。
7.根据权利要求3所述的一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，三氧化二梯溶液的浓度为3mg/mL。
8.根据权利要求3所述的一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，海泡石、三氧化二梯和硅藻土的质量比为1:0.2-0.3:1.2-1.5。
9.根据权利要求3所述的一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，阻燃纸浆中纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊和镁铝水滑石的总含量为20-25％，纳米纤维素晶须、阻燃微胶囊、镁铝水滑石的质量比为1.2：0.5-0.6:0.1-0.2。
10.根据权利要求3所述的一种基于纳米纤维素晶须和微胶囊的阻燃纸的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，纸页的定量为100g/m2,压榨的压力为2.5kg/cm2，压榨的时间为5min。
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