本发明涉及一种纤维素基阻燃隔热材料，特别涉及一种环保纤维素基阻燃隔热材料及其制备方法，属于新材料技术领域。
背景技术：
纤维素性能优异、来源广泛、绿色环保、用途广泛，人类生活场所均不乏其身影。然而，易燃性这一纤维素材料的致命缺点限制了纤维素材料在保温隔热、环保阻燃板材等领域的进一步应用，而当前纤维素材料阻燃剂技术中存在环保性差，燃烧时易生成浓烟、有毒气体等问题，阻燃同时降低材料强度，制备工艺复杂，故亟需对纤维素材料进行环保阻燃。
层状双金属氢氧化物(layerdoublehydroxides,ldhs)是一种类新型无机阻燃剂，较常规磷氮类阻燃剂具有无毒、环保的优势，较传统无机阻燃剂有着阻燃效率高、结构可组装且对材料机械性能影响小的特点。该新型无机阻燃剂具有类水滑石结构，分子结构可组装，具有结构记忆性、阴离子可交换性，受热后释放水蒸气等气体，迅速吸收环境热量，且高温作用下形成的尖晶石结构的层状双金属氧化物同样具有一定的阻燃性。将层状双金属氢氧化物与纤维素混合后，形成了以纤维素为连续相、层状双金属氢氧化物为分散相内部结构，可达到增强材料机械性能的同时提升阻燃性能的目的。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种环保纤维素基阻燃隔热材料，呈三维多孔结构，有着良好的保温、隔热性能，不易受热收缩；层状双金属氢氧化物均匀分布于该材料多孔结构内，有效提升材料的阻燃性、降低材料热释放速率和烟释放量。
本发明还提供一种所述环保纤维素基阻燃隔热材料的制备方法，该方法具有加工工艺流程短，无污染的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种环保纤维素基阻燃隔热材料，该环保纤维素基阻燃隔热材料以纤维素、层状双金属氢氧化物为原料，在碱性条件、-20℃到-30℃的低温下采用直接共混法使纤维素溶解，然后室温下充分搅拌形成层状双金属氢氧化物均匀分散且无团聚的纤维素溶液，所得溶液经交联剂交联，并通过冷冻干燥得到具有矿化多孔结构的环保纤维素基阻燃隔热材料；
其中纤维素、层状双金属氢氧化物、交联剂、碱性水溶液的质量百分比为：
纤维素：3～7％，
碱性水溶液：93～97％，其中以纤维素和碱性水溶液的总重量为100％，
层状双金属氢氧化物：0.4～2％，
n,n-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂)：0.1～0.8％。
本发明利用层状双金属氢氧化物在碱溶液中可稳定存在的特性，采用直接共混法在再生纤维素气凝胶中添加层状双金属氢氧化物形成矿化三维多孔结构的纤维素基阻燃隔热材料。经直接共混法和干燥的相分离过程，层状双金属氢氧化物颗粒最终均匀分散于纤维素交联网络结构中，层状双金属氢氧化物纳米颗粒无明显团聚现象；纤维素在材料中作连续相，层状双金属氢氧化物作分散相，形成三维多孔且具有一定压缩强度的纤维素基阻燃隔热材料。
所述的环保纤维素基阻燃隔热材料呈三维多孔结构，有着良好的保温、隔热性能，不易受热收缩；层状双金属氢氧化物均匀分布于该材料多孔结构内，有效提升材料的阻燃性、降低材料热释放速率和烟释放量；加工工艺流程短，无污染。
作为优选，所述的纤维素选自废弃纸浆粕、植被浆粕或废棉织物来源的纤维素材料。
作为优选，所述的层状双金属氢氧化物选自金属离子为ca2+、mg2+、al3+且阴离子为oh-、no3-、co32-、po43-、hpo42-、h2po4-、b4o72-两者组合的一种或多种。
作为优选，交联剂是n,n-亚甲基双丙烯酰胺。
作为优选，碱性水溶液的制备方法是naoh7g和水81g混合，待naoh溶解并溶液冷却后添加尿素12g。
一种所述的环保纤维素基阻燃隔热材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)原料纤维素、层状双金属氢氧化物在碱性条件下搅拌混合，各组分充分浸润，然后在-20℃±5℃的低温下使纤维素溶解，得到混合物，充分搅拌使层状双金属氢氧化物均匀分散于溶液中；
(2)在步骤(1)所得混合液中添加交联剂，经搅拌、超声分散0.5～2h使交联剂均匀分散并溶解；
(3)将步骤(2)中所得溶液在容器中倒模并静置12～36h成凝胶，所得凝胶随后浸泡于水中，一天换若干次水，浸泡至水ph≤8后使凝胶网络中的碱性溶液彻底被水代替并形成水凝胶；
(4)吸干或晾干步骤(3)所得水凝胶表面水分后，将凝胶于-40℃以下环境中冷冻1～4h，随后于冷冻干燥机中干燥48h以上直至完全干燥形成表面平整、结构良好的纤维素基阻燃隔热材料，冷冻干燥温度为-40℃以下。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明以层状双金属氢氧化物纳米颗粒作主要阻燃成分，有效提升纤维素阻燃性同时增强材料机械性能；该纤维素材料具有高效环保阻燃性同时具有良好的隔热性能；
2、本发明的环保纤维素基阻燃隔热材料呈三维多孔状，导热系数均低于0.038w/(m·k)，接近市售各类聚苯板；
3、该材料制备工艺较常规共混工艺流程短，操作便捷，污染少，层状双金属氢氧化物的存在不影响纤维素本身特性，同时有效提升了纤维素材料的阻燃性，降低材料燃烧过程中的放烟速率和热释放速率，不易受热收缩，因此适用于保温隔热、环保阻燃板材等领域的应用。
附图说明
图1是本发明的环保纤维素基阻燃隔热材料制备方法流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
层状双金属氢氧化物纳米颗粒mg/al(oh)-ldhs、mg/al(co3)-ldhs、mg/al(po4)-ldhs、mg/al(hpo4)-ldhs、mg/al(h2po4)-ldhs、mg/al(no3)-ldhs、mg/al(b4o7)-ldhs的制备方法如下：共沉淀法制备ldhs：以煮沸后密闭冷却至80℃的去离子水作溶剂，配置摩尔浓度比为m2+:n3+＝2:1的金属离子混合液，其中m2+代表二价金属阳离子，可选mg(no3)·6h2o、mgcl2·6h2o、cacl2·2h2o等为原料，n3+代表三价金属阳离子，可选alcl3·9h2o为原料，所得金属离子混合液记为溶液a；另按c＝c(al3+)/n分别配置naoh、na2co3溶液分别记为b1、b2，其中n为阴离子价态，如co32-的n＝2，则na2co3的浓度为铝离子浓度的1/2。密闭条件下，将等体积的a液分别缓慢逐滴滴加入80℃的各b液中，滴加同时高速搅拌，当体系通过滴加naoh溶液控制ph在7～8时，可得mg/al(oh)-ldhs、mg/al(no3)-ldhs、ca/al(oh)-ldhs、ca/al(no3)-ldhs；当体系通过滴加naoh溶液控制ph在10～11间时，则可得mg/al(co3)-ldhs、ca/al(co3)-ldhs。待所有反应液全部滴加完后将所得浆液放入烘箱晶化0～18h，随后取出，洗涤过滤至滤液ph＝7，将所得粉末于60℃烘干即可。
焙烧复原法制备ldhs：以共沉淀法中经18h晶化后制得的mg/al(co3)-ldhs或ca/al(co3)-ldhs作前驱体，在马弗炉中500℃煅烧5h后取出备用，记为ldo，于65℃条件下，按金属离子盐kh2po4、k2hpo4或na2b4o7·10h2o与ldo质量比为1.2:1.0，将ldo分别与各金属盐混合并于水溶液中反应5h，其中，盐溶液浓度按c＝c(al3+)/n计，n表示阴离子化合价。反应后产物经过滤、洗涤、干燥即可得mg/al(po4)-ldhs、mg/al(hpo4)-ldhs、mg/al(h2po4)-ldhs、mg/al(b4o7)-ldhs、ca/al(po4)-ldhs、ca/al(hpo4)-ldhs、ca/al(h2po4)-ldhs、ca/al(b4o7)-ldhs。
实施例1：
一种环保纤维素基阻燃隔热材料的制备方法，如图1所示，具体步骤如下：
(1).取含棉3g的浓棉浆粕若干份，分别称取0.6gmg/al(oh)-ldhs、mg/al(co3)-ldhs、mg/al(po4)-ldhs、mg/al(hpo4)-ldhs、mg/al(h2po4)-ldhs、mg/al(no3)-ldhs、mg/al(b4o7)-ldhs并放入棉浆粕中，随后逐步添加naoh7g和水，待naoh溶解并溶液冷却后添加尿素12g，最终控制naoh浓度为7wt％，尿素浓度为12wt％，纤维素质量为3wt％，混合物总质量为100.6g，搅拌溶解后于-20℃环境中冷冻2h。
(2).取出步骤(1)中冷冻的混合物并辅以200r/min搅拌，直至棉纤维完全溶解且层状双金属氢氧化物均匀分散得ldhs/纤维素混合溶液。
(3).在步骤(2)所得几组溶液中分别添加1.6gn,n-亚甲基双丙烯酰胺，高速搅拌30min后超声分散5min，随后继续高速搅拌30min直至交联剂完全溶解。
(4).将步骤(3)所得溶液于容器中倒模，并大力震荡排除气泡，随后凝胶化16h形成ldhs/纤维素凝胶。将所得凝胶连带器皿浸泡如水中，一天更换3次水，5天后测得浸出液ph＝7，取出凝胶，风干1h后于-47℃冰箱中冷冻3h，随后于冷冻干燥机中冷冻干燥48h即得含有不同层状双金属氢氧化物的纤维素基阻燃隔热材料。
本实施例所得几组纤维素阻燃隔热材料的热传导系数、极限氧指数(limitingoxygenindex,loi)、最大热释放速率(peakofheatreleaserate,phrr)、烟释放速率(smokereleaserate,srr)结果见表1。表中a～h依序分别为纯纤维素材料、添加mg/al(oh)-ldhs、mg/al(co3)-ldhs、mg/al(po4)-ldhs、mg/al(hpo4)-ldhs、mg/al(h2po4)-ldhs、mg/al(no3)-ldhs、mg/al(b4o7)-ldhs的复合纤维素材料。所得样品厚度均在12.87mm左右。
表1
结果显示，添加层状双金属氢氧化物后，纤维素基阻燃隔热材料的热传导系数变化不大，均处于较低水平；且材料的燃烧性能明显上升，而烟雾释放速率随阴离子不同有所变化。
实施例2：
一种环保纤维素基阻燃隔热材料的制备方法，具体步骤如下：
(1).取五份4g由废棉织物处理后所得碎棉花，分别称取0.4g、1.6g、4.0gmg/al(co3)-ldhs，将各组分混合后分别加入96g碱尿溶液并使各组份完全浸湿，随后于-20℃环境中冷冻1.5h。其中碱尿溶液中分别含naoh7wt％，尿素12wt％，水81wt％。
(2).取出步骤(1)中冷冻的混合物并辅以高速搅拌，直至碎棉纤维完全溶解且层状双金属氢氧化物均匀分散得ldhs/纤维素混合溶液。
(3).在步骤(2)所得几组溶液中分别添加1.2gn,n-亚甲基双丙烯酰胺，高速搅拌30min后超声分散5min，随后继续高速搅拌30min直至交联剂完全溶解。
(4).将步骤(3)所得溶液于容器中倒模，并大力震荡排除气泡，随后凝胶化12h形成ldhs/纤维素凝胶。将所得凝胶连带器皿浸泡如水中，一天更换3次水，5天后测得浸出液ph＝7，取出凝胶，风干1h后于-52℃冰箱中冷冻3h，随后于冷冻干燥机中冷冻干燥48h即得含有不同层状双金属氢氧化物的纤维素基阻燃隔热材料。
本实施例所得层状双金属氢氧化物添加量不同的纤维素基阻燃隔热材料的孔隙率、热传导系数、极限氧指数、压缩强度结果见表2。
表2
备注：表中a、c、d、e依序分别为纯纤维素材料、添加0.4g/1.6g/4.0gmg/al(co3)-ldhs的纤维素基阻燃隔热材料。所得样品厚度均在12.87mm左右。
结果显示，随着层状双金属氢氧化物含量的增加，材料的热传导系数有所提升，但仍处于较低水平；而当层状金属氢氧化物添加量为40％时，材料的loi值已高于27％；同时，材料的压缩强度也随层状双金属氢氧化物含量的增加显著上升。
实施例3：
一种环保纤维素基阻燃隔热材料的制备方法，具体步骤如下：
(1).取若干份含纤维素约7g碎棉花，93g碱尿溶液及层状双金属氢氧化物，搅拌使各组分浸湿后于-20℃环境中冷冻3h，其中层状双金属氢氧化物含量分别为：
a:0g
b:ca/al(co3)-ldhs1.2g
c:mg/al(co3)-ldhs1.2g
d:mg/al(h2po4)-ldhs1.2g
e:ca/al(co3)-ldhs0.6g，mg/al(co3)-ldhs0.6g
f:mg/al(h2po4)-ldhs0.6g，mg/al(co3)-ldhs0.6g
g:ca/al(co3)-ldhs0.6g，mg/al(h2po4)-ldhs0.6g；其中碱尿溶液中分别含naoh7wt％，尿素12wt％，水81wt％。
(2).取出步骤(1)中冷冻的混合物并辅以高速搅拌，直至碎棉纤维完全溶解且层状双金属氢氧化物均匀分散得ldhs/纤维素混合溶液。
(3).在步骤(2)所得几组溶液中分别添加0.8gn,n-亚甲基双丙烯酰胺，高速搅拌30min后超声分散5min，随后继续高速搅拌30min直至交联剂完全溶解。
(4).将步骤(3)所得溶液于容器中倒模，并大力震荡排除气泡，随后凝胶化16h形成ldhs/纤维素凝胶。将所得凝胶连带器皿浸泡如水中，一天更换3次水，5天后测得浸出液ph＝7，取出凝胶，风干1h后于-56℃冰箱中冷冻3h，随后于冷冻干燥机中冷冻干燥60h即得不同层状双金属氢氧化物组合的层状双金属氢氧化物/纤维素阻燃隔热材料。
本实施例所得添加不同组合层状双金属氢氧化物的复合纤维素阻燃隔热材料的极限氧指数、最大热释放速率、烟释放速率结果见表3。
表3
结果表明，不同组合的层状双金属氢氧化物复合的纤维素复合材料极限氧指数差异不大，但其最大热释放速率、烟释放速率受阴离子变化有一定改变。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。