硅铝复配体系制备废纸纤维发泡材料及阻燃机理初探

摘要

废纸纤维发泡材料是以废旧瓦楞纸纤维为主要原料，经溶液机械发泡技术制备获得的一种绿色生态材料，具有较好的环境相容性。然而，废纸纤维本身容易燃烧，这就决定了废纸纤维发泡材料的易燃性，并将影响其应用范围。因此，对废纸纤维发泡材料进行阻燃处理并科学地分析研究其燃烧特性和阻燃机理尤为重要。
　　为了探究水玻璃/硫酸铝复配体系对废纸纤维发泡材料阻燃性能的影响，本文在单因素实验的基础上，通过正交实验设计首先对影响材料阻燃性能的3个主要因素：硅铝总量、Al/SiO2摩尔比和添加方式进行优化，并利用极差法和方差法对优化过程进行综合分析，结果表明：各因素对废纸纤维发泡材料的阻燃性能影响主次顺序为：添加方式＞Al/SiO2摩尔比＞硅铝用量。且当硅铝总量为900 mL、Al/SiO2摩尔比为1：1、以及硫酸铝优先添加时，材料的氧指数和残炭率均达到最大值，分别为32.0和53.51％。
　　然后，采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜与能谱仪（SEM-EDS）、热重仪（TG-DSC）以及傅立叶红外光谱仪（FTIR）对此优化工艺条件下制备获得的样品的微观结构以及热解过程进行观察和分析。结果表明：大量的硅铝复合物存在于废纸纤维发泡材料中；当硫酸铝优先添加时，材料的成膜性较好、硅铝在材料中的保留率达到一个最大值，为37.99%；材料的热解过程减慢，其热稳定性显著被提高。
　　最后，采用锥形量热仪（CONE）对样品在燃烧过程中的热量、失重率以及烟、气释放量等燃烧参数进行分析。同时，运用SEM-EDS对燃烧残余物（灰分）的微观形貌及各元素分布进行观察与分析。结果表明：改性后废纸纤维发泡材料的pk-HRR由128 kW·m-2降至67 kW·m-2，较素材降低了46.8%；残炭率由23%升至42%，提高了82.6%；且硅铝复合物同时也显著降低了材料燃烧过程中烟和尾气的释放量；通过 SEM观察经锥形量热仪燃烧后的残余物可知，空白组样品结构几乎完全坍塌，而优化组样品燃烧后依然保持较为完整的结构；EDS分析表明其碳元素含量提高。
　　因此，通过合理设计和优化水玻璃与硫酸铝的复配体系，可以提高废纸纤维发泡材料的阻燃性能。材料的综合阻燃性能可达到国家B1级或A2级难燃材料标准。

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第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2超轻植物纤维发泡材料概述

1.3阻燃植物纤维发泡材料的研究现状

1.4阻燃性能的分析和检测方法

1.5本课题研究内容和技术路线

1.6主要创新点

第二章 硅铝复配体系对废纸纤维发泡材料阻燃性能的影响

2.1引言

2.2材料与方法

2.3结果与分析

2.4 本章小结

第三章 硅铝复配体系制备阻燃废纸纤维发泡材料的

3.1引言

3.2材料与方法

3.3结果与分析

3.4 本章小结

第四章 废纸纤维发泡材料的燃烧特性及燃烧残余物分析

4.1引言

4.2材料与方法

4.3 结果与讨论

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

致谢