一种非水溶性绿色环保阻燃剂及其制备方法和应用

本发明涉及阻燃纸。更具体地，涉及一种非水溶性绿色环保阻燃剂及及其制备方法和应用。

背景技术：

1、纸张被广泛地应用于日常生活的各个方面，然而纸张是一种易燃材料，它经常是火灾的引火物质，其易燃特性给社会带来了极大的隐性火灾危险及巨大的经济损失。因此，对纸张进行阻燃处理是去除纸张引发火灾威胁的必然要求，对纸张的阻燃研究也会促进纸张在更广领域的应用。

2、传统的水溶性阻燃剂通过浸泡法固定在纸张表面，浸泡容易引起纸张的褶皱，破坏纸张的性能。而现有的非水溶性阻燃剂主要为无机阻燃剂，将这些阻燃剂添加到纸张中，由于与纸基材料的不相容性、密度大、用量多、耐水性差、迁移性大等问题，导致阻燃剂容易在纸张表面析出，使纸张的阻燃性能下降，强度下降，可塑性变差等。

3、因此，需要提供一种既能赋予纸张阻燃性能又对纸张其他性能无不良影响的阻燃剂。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提供一种非水溶性绿色环保阻燃剂，其原料中具有较大比表面积的聚磷酸铵负载在长径比大的木质纤维素纳米纤维上，阻燃剂具有良好阻燃性的同时，还与纸张纤维具有良好的相容性，保障了阻燃纸优良的力学性能。

2、本发明的另一个目的在于提供一种非水溶性绿色环保阻燃剂的制备方法。

3、本发明的又一个目的在于提供一种阻燃纸，包括上述非水溶性绿色环保阻燃剂。

4、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

5、一种非水溶性绿色环保阻燃剂，包括木质纤维素纳米纤维以及负载在其上的聚磷酸铵；

6、其中，所述木质纤维素纳米纤维的直径为2-5nm，长度为10-40μm；

7、所述聚磷酸铵的粒径为5-600nm，厚度为5-600nm。

8、传统的非水溶性阻燃剂主要为无机阻燃剂，将这些阻燃剂添加到纸张中，由于与纸基材料的不相容性、密度大、用量多、耐水性差、迁移性大等，导致阻燃剂容易在纸张表面析出，造成纸张的强度下降，可塑性变差等。

9、本发明利用与纸基材料相容性好、长径比大的微纳化木质纤维素与具有较大比表面积的聚磷酸铵结合，使聚磷酸铵均匀负载在木质纤维素纳米纤维上，得到非水溶性绿色环保阻燃剂。将其用于制备阻燃纸，与纸浆的相容性好，可均匀分散于纸张中，对纸张的性能不会产生不良影响。

10、优选地，所述木质纤维素纳米纤维与聚磷酸铵的质量比为1:(1-8)。

11、例如，所述木质纤维素纳米纤维与聚磷酸铵的质量比包括但不限于为1:2、1:3、1:4、1:5、1:6或1:7。

12、优选地，所述木质纤维素纳米纤维的成分为全组分木质纤维素，包括12wt％-15wt％的木质素、29wt％-40wt％的纤维素以及24wt％-28wt％的半纤维素。其制备过程简化了传统纤维素的漂白提纯过程，大大减少了加工工艺，降低了成本；且木质纤维素来源广泛，可通过废弃芦苇秸秆、玉米秸秆等轻易获得，进行了农作废弃物的再利用，也降低了农作废弃物燃烧带来的环境危害。

13、优选地，所述环保阻燃剂还包括有过渡金属离子化合物，赋予阻燃剂抑烟功能。

14、优选地，所述过渡金属离子化合物包括无水醋酸锌或/和碳酸锌。

15、优选地，所述木质纤维素纳米纤维、聚磷酸铵与过渡金属离子化合物的质量比为1:(1-8):(1-4)。

16、例如，所述木质纤维素纳米纤维、聚磷酸铵与过渡金属离子化合物的质量比包括但不限于为1:6:1、1:4:1、1:2:1、1:6:2、1:6:3、1:4:2、1:4:3、1:2:2或1:2:3等。

17、本发明第二个方面提供了上述非水溶性绿色环保阻燃剂的制备方法。

18、当阻燃剂中不含过渡金属离子化合物时，其制备步骤为：

19、固含量为0.8wt％-1.4wt％的木质纤维素纳米纤维与聚磷酸铵混合球磨，得到非水溶性绿色环保阻燃剂。

20、当阻燃剂含有过渡金属离子化合物时，其制备步骤为：

21、将固含量为0.8wt％-1.4wt％的木质纤维素纳米纤维、聚磷酸铵与过渡金属离子化合物混合球磨，得到非水溶性绿色环保阻燃剂。

22、可见本发明中阻燃剂的制备过程简单，只需将原料混在一起进行球磨即可。球磨过程中，木质纤维素纳米纤维的纤维化程度增大，聚磷酸铵的比表面积增大，两者的接触面积增大，聚磷酸铵能够更加均匀的负载在纳米纤维上，结合力更强。将阻燃剂用于制备纸张时，负载在纳米纤维上的聚磷酸铵不会析出，在赋予纸张阻燃性的同时，还不会对纸张的力学性能、柔韧性等产生不良影响。

23、球磨过程的工艺参数对阻燃剂的性能有重要影响，若球磨转速过高，时间过长，会导致木质纤维素纳米纤维降解，长度变短；球磨转速过低、时间过短会导致聚磷酸铵颗粒过大，无法与木质纤维素纳米纤维结合，无法均匀分散在木质纤维素纳米纤维素上。在一个优选的示例中，所述球磨的速率为100-300rpm，球磨时间为0.5～6h。进一步优选地，所述球磨时间为0.5～6h，优选为4h。

24、适合的木质纤维素纳米纤维对于阻燃剂性能亦有重要影响，本发明以芦苇秸秆粉末为例，提供一种可能的木质纤维素纳米纤维制备过程：

25、将自然收割的芦苇秸秆粉碎后过60目筛子得芦苇秸秆粉末，将其浸泡在1％的氢氧化钠溶液中球磨，洗涤后进行超声处理。其中，所述球磨时间为0.5～6h，优选3h；所述超声时间为0.5～3h，优选2h。

26、本发明第三个方面提供一种阻燃纸，其包括上述非水溶性绿色环保阻燃剂；

27、在制备阻燃纸过程中，将适合量的阻燃剂添加到竹浆板、木浆板、废弃报纸或打印纸等纸浆中混合搅拌，随后抽滤造纸。优选地，所述阻燃纸中阻燃剂的掺入量为10～30wt％，进一步优选为20wt％。

28、含有上述阻燃剂的纸张，不仅具有阻燃性能和抑烟性能，还具有优良的纸张力学性能，应用前景广泛。

29、本发明的有益效果如下：

30、本发明提供一种非水溶性绿色环保阻燃剂，该阻燃剂中比表面积较大的聚磷酸铵均匀稳定的负载在长径比大的木质纤维素纳米纤维上，用于制备纸张时，与纸浆的相容性好，不易析出，可均匀分散在纸张中，赋予纸张阻燃性能的同时，对纸张性能不会产生不良影响。同时，该阻燃剂原料来源广、绿色环保、制备简单、与纸基材料相容性好，具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种非水溶性绿色环保阻燃剂，其特征在于，包括木质纤维素纳米纤维以及负载在其上的聚磷酸铵；

2.根据权利要求1所述的阻燃剂，其特征在于，所述木质纤维素纳米纤维与聚磷酸铵的质量比为1:(1-8)。

3.根据权利要求1所述的阻燃剂，其特征在于，所述木质纤维素纳米纤维的成分包括12wt％-15wt％的木质素、29wt％-40wt％的纤维素以及24wt％-28wt％的半纤维素。

4.根据权利要求1所述的阻燃剂，其特征在于，所述环保阻燃剂还包括过渡金属离子化合物。

5.根据权利要求4所述的阻燃剂，其特征在于，所述过渡金属离子化合物包括无水醋酸锌或/和碳酸锌。

6.根据权利要求4所述的阻燃剂，其特征在于，所述木质纤维素纳米纤维、聚磷酸铵与过渡金属离子化合物的质量比为1:(1-8):(1-4)。

7.一种如权利要求1-3任一所述非水溶性绿色环保阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.一种如权利要求4-6任一所述非水溶性绿色环保阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的速率为100-300rpm，球磨时间为0.5～6h。

10.一种阻燃纸，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述非水溶性绿色环保阻燃剂；

技术总结
本发明公开一种非水溶性绿色环保阻燃剂，包括木质纤维素纳米纤维以及负载在其上的聚磷酸铵；其中，所述木质纤维素纳米纤维的直径为2‑5nm，长度为10‑40μm；所述聚磷酸铵的粒径为5‑600nm，厚度为5‑600nm。该阻燃剂中比表面积较大的聚磷酸铵均匀稳定的负载在长径比大的木质纤维素纳米纤维上，用于制备纸张时，与纸浆的相容性好，不易析出，可均匀分散在纸张中，赋予纸张阻燃性能的同时，对纸张性能不会产生不良影响。同时，该阻燃剂原料来源广、绿色环保、制备简单、与纸基材料相容性好，具有广泛的应用前景。

技术研发人员：王超,陆海梅,吴敏
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12