CN112143566A

CN112143566A - 一种生物质基灯芯材料及其制备方法与应用

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Publication number: CN112143566A
Application number: CN202011082994.8A
Authority: CN
Inventors: 刘大刚; 李敏钰
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2040-10-12
Also published as: CN112143566B

Abstract

本发明公开了一种生物质基灯芯材料，该生物质基灯芯材料以盐和纳米纤丝为原料制备得到；其中盐的质量为纳米纤丝质量的5%～10%；纳米纤丝的长度为99.01μm～139.11μm,直径为2.67～4.27 nm；盐采用具有焰色反应的阻燃性盐离子形式。本发明利用天然生物质作为原料，复合已获得的硅酸盐，制备得到的材料具有阻燃性；另一方面，这种结构对于液体的传输有一定优越性，可以快速传输液体燃烧介质而使灯芯本身消耗大大减少，材料可生物降解，环境友好。

Description

一种生物质基灯芯材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种生物质基灯芯材料。

背景技术

蜡烛曾是旧社会时期的重要照明手段之一，而随着电产生，蜡烛在当今社会已经不是简单的照明工具，更多地用于景观装饰，包括生日蜡烛，晚会等庆祝的活动场合。而现实生活中多使用由石蜡和显色剂组成的固体来产生彩色火焰，残留的蜡的同时，使用时间短暂，循环性能差且焰色多为黄色，彩色焰火质量差。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种新型的灯芯材料，可依靠燃烧剂持续供火，同时可持续产生不同的颜色，用于景观装饰。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种生物质基灯芯材料，该生物质基灯芯材料以盐和纳米纤丝为原料制备得到；其中盐的质量为纳米纤丝质量的5％～10％；纳米纤丝的长度为99.01μm～139.11μm,直径为2.67～4.27nm；盐采用具有焰色反应的阻燃性盐离子形式。

在部分实施例中，作为优选的，上述盐采用硅酸盐形式，含有钠离子、锂离子、钾离子、钙离子或铜离子。

在部分实施例中，作为优选的，盐的质量为纳米纤丝质量的8％。

在部分实施例中，本发明生物质基灯芯材料呈柱状，直径为2cm～5cm。

本发明还提供了上述生物质基灯芯材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)纳米纤丝制备：将生物质原料采用热水浸泡洗涤，去除可溶性盐和油性物质，经湿磨机和高压均质机进行纳米化，得到分散均一的纳米纤丝悬浮液；

(2)盐溶液配置；

(3)盐/纳米纤丝悬浮液制备：将盐溶液与纳米纤丝悬浮液混合均匀后，进行脱泡处理，得到盐/纳米纤丝悬浮液；

(4)单向冷冻：采用单向冷冻法，将盐/纳米纤丝悬浮液制备得到冰晶竖向生长的样品；

(5)灯芯制备：将冰晶竖向生长的样品进行冷冻干燥得所述灯芯材料。

更为具体的：

1)纳米纤丝的制备：将木粉或秸秆碎屑等用热水进行多次浸泡洗涤，去除可溶性盐及油性物质，经湿磨机和高压均质机的纳米化，得到分散均一的纳米纤丝悬浮液；

2)显色盐溶液的配制：配制含量为5％的硅酸盐溶液，包括钠离子，锂离子，钾离子，钙离子或铜离子；

3)将步骤2)中的盐溶液复合如步骤1)中的纳米纤丝悬浮液，在50℃条件下搅拌混合均匀后，进行脱泡处理，得到盐/纳米纤丝悬浮液；

4)单向冷冻：将复合好的盐/纳米纤丝悬浮液装入不同尺寸的PP盒中，四周由泡沫隔热，底部有铜片导热，置于放在-40℃冷冻柜的冷冻台上(可以从80℃降温至-40℃)冷冻24h得到冰晶竖向生长的样品；

5)将冷冻完毕的样品置于冷冻干燥机中干燥至完全，得到柱状灯芯材料。

其中步骤2)中显色盐溶液配制过程中，当硅酸盐溶液中含有钠离子、锂离子或钾离子时，盐溶液采用硅酸盐直接溶于水制备得到；当硅酸盐溶液中含有钙离子或铜离子时，以蒙脱土浆液添加氯化钙或氯化铜溶液制备得到。

本发明还提供了上述生物质基灯芯材料在景观装饰上的应用，通过选取具有不同焰色的灯芯材料，进行配色。

利用单向冷冻法制备的竖向取向灯芯因其一条条通道形成的毛细管力而完成液体的快速输送，利用硅酸盐的阻燃特性，可确保灯芯使用的时长和安全性，利用不同离子的焰色反应可以增加灯芯的装饰效果。

本发明相比现有技术具有以下优点：利用天然生物质作为原料，复合已获得的硅酸盐，制备得到的材料具有阻燃性；另一方面，这种结构对于液体的传输有一定优越性，可以快速传输液体燃烧介质而使灯芯本身消耗大大减少，材料可生物降解，环境友好。

附图说明

图1为本发明灯芯材料使用时配套的装置结构示意图；

图2为本发明实施例3中不同硅酸盐含量灯芯材料的阻燃测试对比图；

图3为本发明实施例3中不同硅酸盐含量灯芯材料的燃烧速率对比图；

图4为本发明实施例4中的助燃剂液面在火焰驱动下的位置变化；

图5为本发明实施例4中助燃剂的燃烧速度；

图6为本发明实施例5中含有不同显色盐的灯芯燃烧产生的焰色照片。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，这些实施例仅用于解释本发明，并不构成本发明保护范围的限定。

实施例1

盐/纳米纤丝悬浮液制备

1)纳米纤丝的制备：将木粉或秸秆碎屑等生物质材料采用热水进行多次浸泡洗涤，去除可溶性盐及油性物质，经湿磨机打磨，再经高压均质机纳米化，得到分散均一的生物质纳米纤丝悬浮液，将其进行浓缩，使其固含量在4wt％左右。均质化后的纳米纤丝，长度为99.01μm～139.11μm,直径为2.67～4.27nm。

2)显色盐溶液的配制：含有钠离子、锂离子或钾离子的盐溶液配置——称取5g硅酸钠、硅酸锂或硅酸钾粉末，溶于100ml水中，得到5％盐溶液；含有钙离子或铜离子的盐溶液配置——钙离子和铜离子因其硅酸根离子不溶于水，故选择在1％的蒙脱土(硅酸盐矿物)浆液中添加5％的氯化钙和氯化铜溶液；使其既具有硅酸盐的阻燃性能又具有焰色反应。

3)按照硅酸盐质量占纳米纤丝的含量比，将步骤2)中的盐溶液复合入步骤1)中的纤丝悬浮液，在50℃条件下搅拌混合均匀后，进行脱泡处理，得到盐/纳米纤丝悬浮液。

实施例2

灯芯材料制备

1)单向冷冻：将实施例1复合好的悬浮液倒入平底冷冻管(直径范围2-5cm不等，高度在20cm以下即可)中，四周由泡沫隔热，底部有铜片导热，置于放在-40℃冷冻柜的冷冻台上(可从80℃降温至-40℃)，冷冻24h得到冰晶竖向生长的样品。

2)将冷冻完毕的样品置于冷冻干燥机中干燥至完全，取出后在烘箱中干燥1h密封以防样品受潮。

实施例3

以含有硅酸钠盐的灯芯材料为例，取不同硅酸钠的浓度梯度0％、1％、5％、8％，按照实施例1、2的方法制备灯芯材料，进行阻燃测试，采用水平燃烧法(ISO 1210)，根据燃烧性能水平法试验方法(GB/T 2108-1996)，确定灯芯材料的阻燃等级。测试结果如图2、图3所示。阻燃等级包括四个等级(符号FH表示水平燃烧)：

①FH-1：移开点火源后，火焰即灭或燃烧前沿未达到25mm标线；

②FH-2：移开点火源后，燃烧前沿越过25mm标线，但未达到100mm标线，在燃烧等级FH-2级中，燃烧长度应写进分级标志，如FH-2-70mm；

③FH-3：移开点火源后，燃烧前沿越过100mm标线，其燃烧速度不大于40mm/min，在燃烧等级FH-3级中，线性燃烧速度应写进分级标志，如FH-3-30mm/min；

④FH-3：除线性燃烧速度大于规定值外，其余与FH-3级相同，其燃烧速度也应该写进分级标志，如FH-4-60mm/min。

从图2、图3可以看出，纯生物质材料的燃烧速率为163.93mm/min,长130mm的灯芯在不到1min内即燃烧结束(有焰燃烧)。随着硅酸盐含量的增加，燃烧速度由有焰燃烧转化为无焰燃烧且燃烧速度大大下降。其中，添加了8％硅酸钠的灯芯则能持续燃烧达10min左右(无焰燃烧)，燃烧速率只有13.44mm/min。因此，考虑选用硅酸盐质量占纳米纤丝含量8wt％的灯芯材料作为较为优选的材料。

实施例4

按照实施例1和实施例2的步骤制备硅酸钠含量8wt％的灯芯材料，采用焰色灯芯配套装置进行测试。如图1所示，焰色灯芯配套装置包括本发明灯芯材料1，陶瓷灯头2，玻璃平底管3，燃烧剂4。灯芯材料1所具有的竖向取向在毛细力作用下可以运输液体，在火焰的热驱动下，能够做到持续不断的上升继而可以不断燃烧。

1)选取取向较优的样品(灯芯材料1)，置于与其长度相符的玻璃平底管3中，接着装入占玻璃管体积2/3的燃烧剂4，使样品浸润。

2)选取与灯芯和玻璃管适配的陶瓷灯头2，穿过样品固定于玻璃平底管管口口，使灯芯材料的燃烧头与燃烧剂隔离开，防止燃烧剂直接燃烧。

3)火源接近灯芯材料的头部，点燃灯芯材料，观察火焰(内焰5和外焰6)颜色及火焰高度以判断其燃烧效果，以乙醇为燃烧剂为例，通过液面下降高度计算乙醇在燃烧驱动下的传输速率，如图4、图5所示。

本实施例制得灯芯材料燃烧较为稳定，助燃剂燃烧界面的变化如图4所示，在22min内，液面下降3cm,录像记录其下降快慢，其燃烧速率如图5所示，速率在0.44ml/min上下浮动。

实施例5

制备含有具有不同焰色反应离子的灯芯材料。当添加不同显色盐时，由于焰色反应为物理反应，焰色会持续存在，会显示出如图6所示的焰色：添加钠离子会产生黄色火焰，锂离子产生紫红色火焰，钙离子产生砖红色火焰，铜离子产生黄绿色火焰以及钾离子产生蓝紫色火焰(透过蓝色钴玻璃)。

本发明灯芯材料由于竖向取向对液体的运输效果和阻燃效果较好，灯芯在持续燃烧过程中顶部炭化较慢，因此可持续使用性非常强，可通过添加燃烧剂的方式多次利用，焰色质量高，对环境无污染，在景观装饰方面具有广阔的前景。

Claims

1.一种生物质基灯芯材料，其特征在于，所述生物质基灯芯材料以盐和纳米纤丝为原料制备得到；所述盐的质量为纳米纤丝质量的5％～10％；所述纳米纤丝的长度为99.01μm～139.11μm,直径为2.67～4.27nm；所述盐采用具有焰色反应的阻燃性盐离子形式。

2.根据权利要求1所述的生物质基灯芯材料，其特征在于，所述盐采用硅酸盐形式，含有钠离子、锂离子、钾离子、钙离子或铜离子。

3.根据权利要求2所述的生物质基灯芯材料，其特征在于，所述盐的质量为纳米纤丝质量的8％。

4.根据权利要求3所述的生物质基灯芯材料，其特征在于，所述灯芯材料呈柱状，直径为2cm～5cm。

5.权利要求1至4任一所述生物质基灯芯材料的制备方法，其特征在于，所述灯芯材料通过以下方法制备：

(2)盐溶液配置；

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，当硅酸盐溶液中含有钠离子、锂离子或钾离子时，盐溶液采用硅酸盐直接溶于水制备得到；当硅酸盐溶液中含有钙离子或铜离子时，以蒙脱土浆液添加氯化钙或氯化铜溶液制备得到。

7.权利要求1至4任一所述生物质基灯芯材料在景观装饰上的应用。