TW200829751A - Fire-retardant paper for environmental protection - Google Patents

Description

200829751 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本案與提昇紙基材之耐燃性有關，更詳而言之，係指一種附佈阻燃劑 ^ 的紙基材。 【先前技術】 在上述技術領域所提及的耐燃性，參考IS0名詞標準定義，係指材料 在火災發生初期至成長期，即使受火燄或高溫時仍不易引燃延燒，且僅產 i 生有限的熱及煙氣之功能。而所謂的retardant)是混於基材 或覆蓋於基材表面上，能抑制基材燃燒或改變基材燃燒之物質。亦即用以 提高材料抗讎，即阻止材料被引燃及抑制火_播的助劑。因此，當物 質本身並非為隨，則祕雜賴加卫的方式，使其具有阻燃之效

攻碉馮該類阻燃劑之缺點， 特1*生致使其為主要阻燃紙之阻燃劑，但是易 其會減少阻燃壽命並辟_縣。至於以無 5 200829751 .機填料做為阻燃紙之阻燃劑，則因添加量太大為其應用上之缺點，除了會 影響阻燃紐原狀性質外，生產絲將大幅增加。 【發明内容】 t鑑於賴紙躲人類之重要性，本案致力賊張基魏行阻燃性之 研究’以期改善目前阻燃紙應用阻燃劑所遭遇之問題，並找出一種可施附 於紙類基材的最佳阻燃配方。 -種環保阻燃紙，包括：含有阻燃劑的紙類基材，該_劑為氣氧化 、鎖、或魏錢化合物、或氫氧賴合併奈料雲母。 本案達成功效包括：經過阻燃處理的紙，可使其達到阻燃的要求，甚 至不燃’從而進-步擴大紙品的應用範圍。而本案環保阻燃紙，可保持原 2品之品質、外觀及其應有的_性及抗撕裂強度，且紙品無色、無臭、 毒性低、不返鹵、不吸潮、氧氣指數大於27%。 【實施方式】 裏 目則料上嶋财近千種，但是翻雜誠雜麵不多；主要 (原因為阻燃紙之阻燃劑必需符合以下要求： 一、 阻燃劑添加量應小於紙品總質量的1⑽。

因為紙品的纖維強度並不高，若P f且燃^添加1大於10%，則會有有損紙 的品質，如出現外觀差、發硬、易鹆 X科柔她及撕雜度大大降低。 二、 阻燃劑毒性小，無色無味。 目前普遍使用磷酸銨作為阻辨劑，相Α 、削仁其添加1至少在2〇%以上才會有阻 燃效果，而且磷酸銨性能不穩定，层 易揮發出氨氣；有機磷類和顧酯類雖 6 200829751 具阻燃效果，但因為一般常用於製造農藥，所以使用時散發出難聞的氣味， 故不建議採用該類阻燃劑。鹵素化合物如氯化石堪、四漠雙紛a雖也有阻 燃效果’但其受鱗轉《化氫、氰化氫等有錢體，也不宜使用。 二、阻燃劑不返鹵，不吸潮。 有些阻燃劑如氯化鎮、構酸、石夕酸鈉等，使用時易出現吸潮、返齒現 象，應避免使用。 四、氧氣指數大於27%。 阻燃紙氧氣指數達21%時，在空氣中就不能點燃了，但考慮到火災時空 氣的流動，規定氧氣指數需大於27%，始可達阻燃級。 在符合上述四項要求的條件下，以無齒、高效、低煙、低毒之阻燃劑 是本案製做阻燃紙的目標，因此選擇無機填料及膨脹型阻燃劑等兩大類阻 燃材料來進行阻燃試驗。無機填料部份包含七種材料即「氫氧化鎂 [_H)2]」、「氫氧化罐㈣^」，「原礦絹雲母(原礦_⑽」、「奈米 矽酸鹽(Nano- silica)」、「碳_(⑽)」、「白土(如）」、「奈米竭雲母 1 _〇iHcite)」等；膨脹型阻燃劑則為「磷氣有機化合物」。 以上述所選取之人種阻燃材料，分取市售影印紙進行表面塗佈法及 添加阻燃手碎、紙巾’將加謂之兩種紙樣進行_:試驗，檢視加工 過後之阻燃紙，經由於塗佈或添加量後是否具阻燃性。 關於内添法，此法適麟不溶水的阻燃#卜將阻燃劑與其他填料一同 添加至紙漿中，抄造成紙。絲料之PH值需調整於4.5〜5. G之間，可使阻 i、、M在紙中的保留率最高。該方法之優點為義於各種紙類的生產，且操 7 200829751 作簡單，阻_在紙張中的分佈亦較為均勻，但缺點植燃織失之狀況 非系嚴重’必需適當添加保留助劑。 塗佈法，此法適用於不溶或難溶的阻燃劑。將阻燃劑粉料均勻分散於 黏著劑中’製成乳狀塗料，織用塗佈的方法將塗·在紙的表面上，經 加熱乾燥後即可得到塗佈型_:紙。此法的優點為_紙部分集中在紙 的表面上，對於紙張的物雌質影響也較小，尤其是對於f要塗佈的加工 紙而言，只需在塗料中加人阻酬即可，亦可於塗佈機上完成，而且阻燃 劑之粒徑小而均勻者，阻燃效果較佳。 實驗設計與方法 實驗設計分為三個階段進行，第—階段為確認阻燃材料之獨效阻燃 性，第二隨為確認_材料之協效_性，第三階段取求得之阻燃劑 最適化配方進行經濟效益評估。 ί 實驗變數與檢測項目制如表Η，實驗設計流糊說明如第一圖 表1-1實驗變數與檢測項目 表面塗佈阻檢劑之塗佈量（g/心 内部添加_:劑之》比例(%) 阻 燃 劑 備 註 測試項目 20 ， 40 ， 60 ， 80 ’ 40 ， 50 ， 60 ， 80 炭化長度 餘焰時間 餘燼時間 劣化試驗 1·實驗用原紙基重為8〇 g/m2。 2·若為合併阻燃時，兩種阻燃 3·進行阻燃劑配方最適化實驗 · 1添加比例配製。 、f才雨加測阻燃紙之劣化試驗 200829751 第一階段： °° H’、、J並以不同比例(皆以相對於衆料絕乾重量計算)的添加量 r之阻燃處理，並經燃燒試驗以確認所選擇之 以劣化試驗將阻燃紙在高溫、高濕（85 測試紙樣之阻燃性以得知吸潮性，以求獨效 分別進行表面塗佈與内部添加· 材料是否為獨效阻燃劑。 (1)對於可阻燃之材料，將進一步 C，85% RH，7天）之狀態下， 阻燃劑最適化配方。 ⑵對於不阻燃之材料，則先細不同比例添加量進行嘛加及表面塗 佈之《處理，並經燃燒試驗等實驗流程圖後續步驟。 第二階段： 合^種_雜概崎晴猶麵物部添加之 靖機咖树卿爾梅較陣劑。 )對於可阻燃之材料，將進-步以劣化試 .、，、 〇p nr〇/ Du , 、 ·一氏在阿溫、高濕（85 ，。H，7天）之狀態下，測試紙樣之阻燃性以彳曰 “、、庇U侍知其吸潮性 效阻燃劑最適化配方。 職求付協 ⑵對於;ί；_之材料，則先後施以不同比例添 佑少伽说士 订内部添加及表面塗 佈之阻燃處理，並經燃燒試驗等實驗流程圖後續步驟。 土 第三階段： 討論阻燃配方最適化之經濟效益分析。 内部添加法阻燃紙實驗 200829751 實驗設計 取定量之漿料並添加不同配方及不同比例之阻燃劑，以手工抄造基重 為80:的紙後，進行阻燃紙之燃燒試驗，以求出最佳濕端阻燃劑配方及 4加里表1 2為屬端貫驗中，漿料、保留助劑及各阻燃劑之添加比例。 表卜2内部添加之物料添加比例 漿料種類及 比例(％) 漂白闊葉樹木漿(BHKP) ---- 100 保留助劑種類及比 例（〇/〇) 陽性保留助劑 0. 03 阻燃劑種類 阻燃劑名稱 添加灰份比例（％)

Mg(OH)2 ai(oh)3

CaCOs clay 原礦 sericite 填充型阻燃劑 0，40，50，60，80

Nano- sericite

Nano- silica 膨脹型阻燃劑 磷氮有機化合物 實驗步驟 (1)取適量衆料進行散漿，並依不同比例之配方，先後添加阻燃劑及陽性保 200829751 留助劑’進行抄紙，抄造基重為80 g/m2的原紙各3張，並記錄紙張重量。 (2) 裁取適當尺寸原紙紙樣，並依CNS1〇760標準進行燃燒試驗。 (3) 並記錄燃燒試驗之炭化長度(cm)、餘燄燃燒時間（sec)及餘燼燃燒時間 (sec) 〇 (4) 依實驗結果找出阻燃劑配方最適化之條件後，重覆上述步驟（3)〜(4)， 並依加速劣化試驗將阻燃紙在高溫、高濕（85。〇，85%诎，7天）之狀態下， 測試紙樣之阻燃性。 實驗藥品 (1) 漿料: ' 漂白闊葉樹木漿(BHKP)，台灣紙業股份有限公司。 (2) 陽性保留助劑： 型號為9916，台鈉公司。 (3) 阻燃劑： ( 一填充型阻燃劑 a. Mg(0H)2： 白色粉末狀，批號Μ-0035 ’片山試藥。 b. Al(OH)a： 白色結晶性粉末狀，批號A-0260，片山試藥。 c· CaC〇3 ·· GCC ， 95F ， Omya Inc. 200829751 d. clay · 印尼白土，右昇貿易有限公司。 e·原礦 sericite : 白色粉末狀，平均粒徑1〇· 一級水洗雲母礦，台灣向陽礦業公司。 f. Nano silica · 型號為9930，新加坡商阿克蘇諾貝爾股份有限公司台灣分公司。 g· Nano sericite :單分子層絹雲母，ρΗ=7·0，固形份5.3%，硝酸裡 ( <0.5%，台灣向陽礦業公司。 --膨脹型阻燃劑 h.磷氮有機化合物：以磷氮系列為主要成份。 — 實驗組數 本研九共有 Mg(0H)2、Al(〇H)3、CaC〇3、clay、原礦 sericite、Nano silica、Nano sericite及磷氮有機化合物等8種阻燃劑，則依獨效及協效 (阻燃試驗分別需抄造原紙數量如下： (1) 獨效阻燃劑試驗： 抄紙數量： IH、、冰（4種配方比例/每種阻燃劑)χ (3張原紙/每種比例⑽張 blank原紙=99張 (2) 協效阻燃劑試驗·· 抄紙數量： 12 200829751 8種阻燃劑共有28種合併的組合(依1 : 1比例配製）。 28種阻燃劑X (4種配方比例/每種阻燃劑)x (3張原紙/每種比例）+3張 blank原紙=339張 實驗儀器 (1) 四位數天平： 型號為 AB204-S，精確度± 0.1 mg，METTLER TOLEDO。 (2) 散漿機： 型號為306-2，連勝儀器。 (3) 攪拌機： G-1003，250 r.pLOO Γ·ρ ιη，SHINKWANG。 (4) 手工抄紙機： 型號為306-A，連勝儀器。 (5) 烘箱： CDV-452，上美儀器。 (6) 乾燥機： 型號為306-B，連勝儀器。 (Ό壓榨機·· 型就為306-C ’連勝儀器。 (8)燃燒試驗箱： 依CNS1_標準，尺寸為305 mmx 356mmx 760麵，林業試驗所。 13 200829751 (9)恆溫恆濕箱： 型號為 VOLTS 110，RISEN。 測試項目 --燃燒試驗： (1) 炭化長度(cm) (2) 餘焰時間（sec) (3) 餘燼時間（sec) --加速劣化試驗： 將阻燃紙在高溫、高濕（85t：，85%RH，7天）之狀態下，測試纟氏樣之阻 燃性。 表面塗佈法阻燃紙實驗 實驗設計 表面塗佈實驗中，取基重為80 gsra之市售影印紙為塗佈原紙，並依不 、 同比例配方之阻燃劑，以棒（塗佈之方式作阻燃4理，隨後進行阻燃紙燃 燒試驗，以求出塗佈阻燃最適化條件。表1-3為塗佈實驗中，接著劑及各 阻燃劑之添加比例。 表1-3表面塗佈之物料添加比例 接著劑種類 -----—_ PVA 比例（％) ~20~^ 阻燃劑種類 阻燃劑名稱 填充塑阻燃劑 JgCOH)^^ A1(0H)3 塗佈量(g/m2) 20，40，60，80 14 200829751

CaC〇3 clay 原礦 sericite Nano-silica Nano- sericite 膨脹型阻燃劑 磷氮有機化合物 實驗步驟 (1)取市售基重為80 gsm的原紙，並記錄未塗佈原紙重。 ⑵隨後進行表面塗佈，並依不同比例之配方，先後添加阻燃劑及接著劑， 以不同號數塗佈棒進行棒式塗佈，以變化塗佈量，並依條件各塗佈3張 原紙。 (3) 置於烘箱内以l〇5°C烘乾，取出，置於乾燥箱冷卻至室溫。 (4) 裁取適當尺寸原紙紙樣，稱重，並依CNS1〇76〇標準進行燃燒試驗。 ⑸記錄燃燒試驗之炭化長度（cm)、餘燄燃燒時間（sec)及餘燼燃燒時間 (sec) 〇 依實驗結果找出阻燃劑配方最適化之條件後，重覆上述步驟(2)〜(6)， 並依加速劣化試驗將阻燃紙在高溫、高濕(85°C，85% RH，7天）之狀態下， 測試紙樣之阻燃性。 實驗藥品 (1) 原紙： 基重為 80 g/m2，Double A 影印紙，Advance Paper Co, Ltd.，泰國。 (2) 接著劑： 15 200829751 VM-14，德富化工股份有限公司。 (3)阻燃劑： --填充型阻燃劑 a. Mg(0H)2: 白色粉末狀，批號M-0035，片山試藥。 b. A1(0H)3： 白色結晶性粉末狀，批號A-0260，片山試藥。 c· CaC〇3 : GCC，95F，Omya Inc· d. clay · 印尼白土，右昇貿易有限公司。 e·原礦 sericite ·· 白色粉末狀，平均粒徑10. Ομπι，一級水洗雲母礦，台灣向陽礦業公司。 f. Nano silica · ί 型號為9930，新加坡商阿克蘇諾貝爾股份有限公司台灣分公司。 g. Nano sericite · 單分子層絹雲母，ρΗ=7·0，固形份5. 3%，硝酸鋰<0.5%，台灣向陽礦 業公司。 一膨脹型阻燃劑 h. 磷氮有機化合物：以磷氮系列為主要成份。 16 200829751 貫驗組數 本研九共有 Mg(〇H)2、A1(0H)3、CaC〇3、clay、sericite、Nano silica、 Nano sericite及磷氮化合物等8種阻燃劑，則依獨效及協效阻燃試驗分別 需塗佈紙張數量如下： (1) 獨效阻燃劑試驗： 塗佈紙張數量： 8種阻燃劑X (4種配方比例/每種阻燃劑)χ (3張原紙/每種比例張 blank原紙=99張 (2) 協效阻燃劑試驗·· 塗佈紙張數量： 8種阻燃劑財28種合併的組合(依1 : !比例配製）。 28種阻燃劑>< (4種配方比例/每種阻燃劑)χ (3張原紙/每種比例怕張 blank原紙=339張 \ 實驗儀器 ⑴凹絲天平、鱗機、_、纖試_、恆溫錄爵健，請參考 4-2-1 節。 (2)塗佈棒： 號數為〇，2，4號。 6.測試項目 --燃燒試驗： 17 200829751 (1) 炭化長度(cm) (2) 餘焰時間（sec) (3) 餘爐時間（sec) --加速劣化試驗： 將阻燃紙在高溫、高濕（85t，85%RH, 7天）之狀態下，測試紙樣之阻燃性。 内部添加及表面塗佈阻燃紙實驗 實驗設計 本實驗設計之對象為經確認以獨效型或協效型阻燃配方進型内部添加 或表面塗佈試驗後，不具阻燃效果時進行之用；先以内部添加阻燃配方後， 再行表面塗佈方式阻燃，使原紙經雙重阻燃處理，確認其是否具阻燃。 實驗步驟 濕端阻燃配訊例絲卜2配製，級^添加法陳紙實驗」 之步驟⑴進行，·隨後再絲卜3配製塗佩方，魄依上述「表面塗 佈法阻燃紙實驗」之步驟⑵〜⑹即完細部添加及麵塗佈實驗。 實驗藥品及設備 (1) 内部添加試驗 (2) 表面塗佈試驗 凊茶考上述之「内部添加法阻燃紙實驗」。 請參考上述之紙實驗」。 200829751 實驗組數 視符合此實驗條件之阻燃劑數量進行計算： (1) 獨效阻燃劑試驗： --濕端抄紙數量： 阻燃舰量X (4x 4種配方比例/每種阻燃劑)χ (3張原紙/每種比例)+3 張blank原紙 --塗佈紙張數量·· 以經濕端阻燃之紙為塗佈原紙。 (2) 協效阻燃劑試驗： --濕端抄紙數量： _劑數量X (4x 4種配方比例/每種阻燃劑)χ (3張原紙/每種比例)+3 張blank原紙 --塗佈紙張數量： 以經濕端阻燃之紙為塗佈原紙。 ( 貫驗結果 依上述實驗設計條件，初步完成以表面塗佈法單獨阻燃處理紙張基 材之貫驗，實驗結果如表卜4所示，A1⑽)3、識3 '咖、原礦 sericite、％no sericite及Nano silica等材料，並無法於設計之塗 佈量上限⑽中達到阻燃紙的效果；僅有％(⑹邊鱗氮有機化合 物具有單獨阻燃之功效。 19 200829751 ϋ單獨阻燃處理紙張基材實驗結果 ~ —— _ 阻燃材料 ------—---—-- ——^ 阻燃效果 Mg(0H)2 ------- 有 磷氮有機化合物 有 A1(0H)3 -—-----—— 無 CaCOs 無 clay 無 原礦 sericite 無 Nano sericite 無 Nano silica 無 備註 由於廠商所提供之Nan〇 sericite濃度較低， 因此無法塗佈達所需的固形份。 單獨阻燃劑以塗佈法處理之阻燃效果 磷氮有機化合物阻燃紙實驗 匕阻u才料屬喊型_劑，其燃麟不產生煙，並於纖後在基材 、开/成》層為顧燃材料之特色，經燃燒試驗結果如第二圖所示，塗 佈量於15 g/m2時，户几g、土 ρ 九長達6· 1 cm，當塗佈量為35 g/m2時，阻燃效果即 達耐燃一級。 氧氧化鎂阻燃紙實驗 以Mg(〇H)2阻辦铋仏每 〜、、氏的果驗中得知，塗佈量需達50 g/m2時始具阻燃效果 20 200829751 (如第一圖）減長度為19·丨cm，’然而隨著塗佈量之增加，其炭化長度愈 Μ，表不Μ效果錄，細示$其可單触賊張基材。 氫氧化鋁阻燃紙實驗 實驗中發現，氫氧化銘塗佈量已達7〇_2仍無法阻燃，需#塗佈量為 1〇〇 g/m2時’炭化長度為6 cm，可有良好_效果，但_試驗中餘炫時 間長達271/之久，表示其自熄能力不良。雖其阻燃效果亦隨塗佈量增加有 正效應，但其所需之塗佈量太高，而紙張基材又較輕薄，導致紙張外觀有 明顯變粗糙之觸感，將嚴重影響紙張基材原有之性質。 奈米矽酸鹽阻燃紙實驗 實驗中發現，由於材料具黏性，故使用時可不需使用接著劑(binder)， 因此將之塗佈於紙張基材時皆於表面形成一透明薄膜以隔絕空氣，塗佈量 自20g/m2〜80g/m2時，其所呈現之阻燃結果皆_，幾乎完全炭化，雖阻燃 效果不良，但可確知其本身具阻燃性，唯添加量需更大。 ί 奈米絹雲母合併磷氮有機化合物阻燃效果 合併Nano seridte與磷氮有機化合物進行協效阻燃之實驗中可知(如第 四圖），並未因為添加Nano sericite使填氮有機化合物阻燃效果更好，以同 樣塗佈量而言，反而使炭化長度更長，即表示阻燃性更差。 奈米絹雲母合併氫氧化鎂阻燃效果 如第五圖，Nano seridte對於Mg(OH)2具協效性，於塗佈量為7〇 g/m2 時’炭化長度為4.5 cm ’較以Mg(OH)2單獨阻燃時，相同炭化長度下塗佈量 21 200829751 卻減少了約HW，可知其可提昇阻燃12 5%的阻燃效果。 目則已知Mg(GH)2&磷氮有機化合物具雜_效性，而其他材料如 A1(0H)3、CaC〇3、clay、原礦seridte及_ 等材料，則需相當 大之塗佈#才得以阻燃，因此不適靠觀張基材；至於—财㈣e 由於材料固形份無法達到實驗設計所需之塗佈量，因此無法使用於單獨阻 燃試驗，但其於合併_Η)2進行協效阻燃上可提昇％娜約12 5%之效 果。 雖然本案是以實驗為例做說明，但精於此技藝者能在不脫離本案精神 與範脅下做各種不同形式的改變。以上所舉之例僅用以說明本案而已，非 用以限制本案之麵。舉凡不違本案精神職事_種修改或變化，俱屬 本案申請專利範圍。 【圖式簡單說明】 第一圖為本案實驗設計流程圖。 苐一圖為磷氮有機化合物阻燃塗佈量與炭化長度關係圖。 I 第二圖為氫氧化鎮[Mg(OH)2]阻燃塗佈量與炭化長度關係圖。 第四圖為奈米絹雲母(Nano sericite)與磷氮有機化合物協效阻燃炭化長度比 較圖。 第五圖為奈米絹雲母(Nano sericite)與氳氧化鎂[Mg(〇H)2]協效阻燃炭化 長度比較圖。 【主要元件符號說明】 無 22

Claims (1)

1. 200829751 、申請專利範圍： 一種環保阻燃紙，包括： 2· 含有阻_的_基材’該_劑騎氧傾合併奈糊雲母。 —種製造如請求項丨之環保_紙的方法，該阻燃劑是以表面塗佈法施 加於该紙類基材的表面。 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，該阻燃劑均句分散於黏著劑組成物 中以60 g/m至70 g/m2之塗佈量塗佈於該紙類基材之表面。 4. 如申請專利娜3項所述之方法，其中，每⑽重量份的黏著劑組成 物中，氫氧化鎮佔30重量份，奈米頌雲母佔5重量份。 .種製造如睛求項丨之環保燃紙的方法，該阻燃劑是以内部添加法添 加於該紙類基材的紙漿中。 6.—種製造如請求項i之德_;_方法，該_卜部份是以内部添 力於H員基材的紙装中，另—部份是以表面塗佈法施加於該紙 類基材的表面。 i 7· 一種環保阻燃紙，包括·· 4阻燃__，該_雜下軸—項，氫氧傾、 機化合物。 人月專利乾圍第7項所述之環保阻燃紙，其中，該阻燃劑為 合併奈米絹雲母。 錢 月專㈤乾圍弟7項所述之環保阻燃紙，其中，每刚重量份的紙類 23 200829751 10. —種製造如請求項7之環保阻燃紙的方法，包括： 氫氧化鎂阻燃劑均勻分散於黏著劑組成物中，以50 g/m2至80 g/m2塗 佈量塗佈於該紙類基材之表面。 11. 一種製造如請求項7之環保阻燃紙的方法，包括： 麟氮有機化合物阻燃劑均勻分散於黏著劑組成物中，以35 g/m2至80 g/m2塗佈量塗佈於該紙類基材之表面。 24