改性硅铝凝胶增强超轻质植物纤维材料阻燃性能

摘要

植物纤维来源广泛，秸秆、稻草、谷壳等农作物废弃物以及木材、家具的加工剩余物都可作为其来源。植物纤维发泡材料是绿色无害、可再生、可重复使用的环境友好型材料，但是其在阻燃防火性能方面依然需要进一步改善。　　本论文使用水玻璃、硫酸铝、硼砂、硫酸锌4种无机物制备改性硅铝溶胶凝胶，以期望提高植物纤维发泡材料的阻燃性能。通过单因素确定试验水平，采用正交试验设计方案探讨了改性硅铝溶胶-凝胶的制备工艺，并确定各因素的显著性大小为：水玻璃添加量＞硫酸锌的添加量＞硼砂的添加量＞硫酸铝的添加量，优化得到纤维基发泡材料氧指数的最佳条件为：水玻璃添加量为27 g、硫酸铝添加量为27 mL、硼砂的添加量为3 g、硫酸锌的添加量为6.5 g。通过傅立叶红外光谱分析得出：Si、B、Al3+、Zn2+及水解产物之间发生了化学键的结合。X射线衍射分析表明：此改性凝胶为无定形聚合物。　　使用响应面优化实验设计方案将有机-无机复合阻燃优化植物纤维发泡材料，工艺参数为：改性凝胶添加量为800 mL，CP添加量为36 g，PVDC添加量为46 mL；在此条件下得到样品的氧指数为48.4。对样品进行微观形貌观察，发现优化的样品纤维表面覆盖一层胶膜状物质，纤维与纤维之间相互粘连形成立体网状结构。通过对样品进行燃烧性能分析、质量变化分析、烟参数分析、尾气毒性分析和火灾性能指数分析，发现优化样品的各项指标均有显著提高。　　对改性硅铝凝胶复合植物纤维发泡材料的复合机理进行阐述，采用 FTIR、SEM-EDXA对材料的官能团、微观形貌以及无机元素在纤维基材料表面的分布情况进行分析。，结果表明：在杂化材料中，存在Si-O-Si和Si-O-Al化学键，并通过Si-O-Si键和Si-O-Al键在纤维中连接形成SiO2-Al2O3无机杂化相。在纤维断面由内而外 Si、Al元素分布均匀，无机杂化复合体通过扩散和渗透，与纤维细胞壁物质进行杂化复合。杂化后材料获得较好的热稳定。因此，硅铝无机相与纤维有机相能够建立有效的相互作用，两相界面结合效果较好。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2植物纤维发泡材料的概述

1.3 硅铝溶胶-凝胶

1.4 植物纤维材料阻燃概述

1.5 论文研究背景、意义与内容

1.6 研究技术路线

1.7 主要创新点

第二章 复合植物纤维发泡材料改性硅铝凝胶制备工艺研究

2.1引言

2.2材料与仪器

2.3方法

2.4 单因素实验与结果分析

2.5正交试验优化硼锌改性硅铝凝胶制备工艺

2.6. 结果与讨论

2.7 本章小结

第三章 复合植物纤维发泡的材料工艺优化及阻燃机理研究

3.1 引言

3.2 试验材料与方法

3.3单因素实验与结果分析

3.4 水玻璃凝胶复合植物纤维基轻质材料工艺参数的优化

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 复合植物纤维发泡材料复合机理研究

4.1引言

4.2试验材料与方法

4.3改性硅铝凝胶与植物纤维发泡材料复合机理分析

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