有機阻燃劑在纖維發(fā)泡材料中的應用研究

官冬玲，劉景宏*，謝擁群

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術學院 自動化工程系，福建 南平 353000;2.福建農(nóng)林大學 材料工程學院，福州 350002)

有機阻燃劑在纖維發(fā)泡材料中的應用研究

官冬玲1，劉景宏2*，謝擁群2

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術學院 自動化工程系，福建 南平 353000;2.福建農(nóng)林大學 材料工程學院，福州 350002)

利用正交實驗法，用尿素、甲醛、磷酸和雙氰胺等藥品制備有機阻燃劑(UDFP)，再用其處理過的纖維漿制成發(fā)泡材料，烘干之后進行氧指數(shù)測定，確定有機阻燃劑在纖維發(fā)泡材料中應用的最佳工藝配方，并進行穩(wěn)定性實驗來驗證實驗結果的準確性。結果表明:最佳工藝配方為尿素/甲醛為1/1.35 mol;雙氰胺用量1 mol;磷酸用量3 mol;UDFP/絕干纖維為12%。影響發(fā)泡材料的4個主要因素中尿素/甲醛影響最顯著，UDFP/絕干纖維的影響次之，磷酸用量的影響再次之，而雙氰胺用量的影響最弱。

發(fā)泡材料;植物纖維;有機阻燃劑;氧指數(shù)

隨著我國木材工業(yè)的發(fā)展，纖維發(fā)泡材料被廣泛運用于包裝、建筑輔助材料、裝飾材料等諸多領域。我國每年的植物纖維材料消耗量近108m3［1］。近年來，我國火災事故發(fā)生率呈上升趨勢，財產(chǎn)損失很大。發(fā)泡材料是一種極易燃燒的物質，主要應用于貴重物品如電器等的緩沖材料。如使用不慎，將引發(fā)嚴重的火災。因此，必須對發(fā)泡材料進行阻燃處理［2］，提高纖維發(fā)泡材料及制品的防火安全性［3］。

1 實驗原料與實驗方法

1.1 原料及藥品

機械漿，購于福建青州造紙廠，濃度17.9%;甲醛，西隴化工股份有限公司生產(chǎn)，濃度37.6%;磷酸，青州市振華化工生產(chǎn)，濃度高于85%;尿素，廣州星鴻化工生產(chǎn);雙氰胺，鄭州市宏聚化工有限公司生產(chǎn)。

1.2 主要實驗儀器設備

HC-Z氧指數(shù)測定儀，承德普惠檢測設備制造有限公司制造;DHG-9623A電熱恒溫鼓風干燥箱，北京中儀友信科技有限公司制造;HH-S1電熱恒溫水浴鍋，無錫建儀實驗器材有限公司制造;GBJ-A纖維標準解離器，長春市永新試驗儀器有限公司制造。

1.3 實驗方法與步驟

1.3.1 實驗方案

表1 正交試驗因素水平表 mol

圖1 工藝流程圖

1.3.2 UDFP的制備

攪拌甲醛溶液，調節(jié)pH=7.5～8.5，均勻升溫至80℃;加入尿素和雙氰胺混合物，溶解;冷卻至35℃，加入磷酸(放熱反應)，保溫30 min;清亮溶液，冷卻出料，pH=2～3;調整 pH=5.0～5.5(30%NaOH)。

1.3.3 纖維質發(fā)泡材料的制備

取45 g絕干纖維(相當于251.40 g纖維漿體)和748.6 mL蒸餾水放入打漿機中攪拌1 000 r，再加入2 g羧甲基纖維素鈉、5 mL酚醛樹脂、5 mL防水劑，以及與四因素三水平實驗安排相應的占8%、10%、12%絕干纖維的有機阻燃劑攪拌1 000 r，再加入9 mL發(fā)泡劑攪拌1 000 r，注模濾水后烘干。

1.3.4 氧指數(shù)的測定

按照正交實驗表制備出來的發(fā)泡材料裁剪成8 mm×10 mm×150 mm條狀纖維材料，每組裁5條。打開氮氣罐開關，將氮氣的濃度調節(jié)為74%，相應的將氧氣濃度調節(jié)為26%，使兩者之和為100%，將材料在氧指數(shù)測定儀內點燃，用秒表記錄發(fā)泡材料燃燒完50 mm所耗時間，分別做5組平行實驗，記錄數(shù)據(jù)。

2 結果分析與討論

2.1 相關反應方程式

此實驗反應的原理是尿素先與甲醛反應生成脲醛樹脂，加入的雙氰胺和磷酸是以各種官能團連接在主鏈上。主鏈的反應方程式為:

在酸性條件下羥甲脲容易生成次甲脲:

2.2 試驗結果分析

表2 正交試驗結果

表3各變化因子水平指標的極差分析表

表4 各變化因子水平指標的方差分析表

數(shù)據(jù)顯示最佳工藝配方為:尿素/甲醛:1/1.35 mol;雙氰胺:1 mol;磷酸:3 mol;UDFP/絕干纖維:12%。極差分析和方差分析均表明:尿素/甲醛影響最顯著，UDFP/絕干纖維的影響次之，磷酸的影響居第3，雙氰胺的影響最不明顯。

2.3 各因素對阻燃性能的影響

圖2 因素A對阻燃性能的影響

圖2，當尿素/甲醛為一水平(1/1.15)和三水平(1/1.35)時其阻燃效果遠比二水平(1/1.25)好。這是因為當甲醛為1.15 mol時與尿素反應已經(jīng)完全，當加入的量上升到1.25 mol時就有多余的甲醛，這部分甲醛會被氧化成甲酸，從而使反應液呈酸性，羥甲脲易形成次甲脲沉淀，從而降低阻燃性能;當甲醛繼續(xù)增加到1.35 mol時甲醛與雙氰胺生成六次甲基四胺，它在燃燒時能夠吸收大量的熱，使有機阻燃劑的性能大大增強。

圖3 因素B對阻燃性能的影響

圖3，隨著雙氰胺加入量的增大，其阻燃效果反而呈降低的趨勢。原因是當雙氰胺加入量為1 mol時，其反應已經(jīng)達到飽和了，若繼續(xù)加入雙氰胺，其全部呈現(xiàn)游離狀態(tài)，無法發(fā)揮阻燃作用，從而降低阻燃效果。

圖4 因素C對阻燃性能的影響

圖4，當磷酸添加量為3 mol時，可發(fā)揮最佳阻燃作用，當添加量為2 mol和4 mol時，阻燃效果不好。這是因為添加量為二水平(3 mol)時，磷酸反應達到飽和，所以二水平明顯比一水平(2 mol)好。當達到飽和之后，多余的磷酸呈游離狀態(tài)，使溶液的pH降低，呈強酸性(pH＜3)，發(fā)生了式(3)和式(4)的反應，大大降低了整個有機阻燃劑的阻燃效果。

圖5 因素D對阻燃性能的影響

圖5，阻燃性能隨著有機阻燃劑(UDPF)與絕干纖維之比的增加而增加。因絕干纖維的量為定量，即當發(fā)泡材料中的有機阻燃劑增加時阻燃作用更好。

3 結語

1)本文要求確定的最佳工藝配方為尿素/甲醛:1/1.35 mol;雙氰胺:1 mol;磷酸:3 mol;UDFP/絕干纖維:12%。2)影響發(fā)泡材料的4個主要因素中尿素/甲醛影響最顯著，UDFP/絕干纖維的影響次之，磷酸的影響第三，雙氰胺的影響最不明顯。

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Application of Organic Flame Retardant in Fiber Foam Material

GUAN Dongling1，LIU Jinghong2* ，XIE Yongqun2

(1.Automation Engineering Department，F(xiàn)ujian Forestry Vocational Technical College，Nanping 353000，China;2.College of Material Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China)

The purpose of this study is to change flammable materials into flammable or flame retardant material through certain processing.By using urea，formaldehyde，phosphoric acid and dicyandiamide，organic flame retardant is prepared，and then the treated pulp fiber material is used to make foam，after drying it is determined for oxygen index.The optimum formulation is determined for the application of organic fire retaidnat in fiber foam material.The accuracy of the experimental results are verified using the stable experiment..The results show that the optimum formula for the urea/formaldehyde is 1/1.35 mol;dicyandiamide used is 1mol;phosphate used is 3 mol;UDFP/absolutely dry fiber is 12%.Four main factor impacting foam material is that the ratiao of urea/formaldehyde is most significant，the ratio of UDFP/absolutely dry fibers is the second，while phosphate is third，and dicyandiamide is the weakest.

foam material;plant fiber;organic flame retardant;oxygen index

TS652

A

2095-5383(2014)02-0010-03

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.004

2014-05-09

國家自然科學基金項目“超輕質植物纖維材料結構特性影響因素的分析研究”(30871982);福建省科技廳產(chǎn)學研重大項目“植物纖維基超輕質工程材料制備及產(chǎn)業(yè)化研發(fā)”(2013H6004)

官冬玲(1972-)，男(漢族)，福建長汀人，講師，碩士，研究方向:木材加工研究。

劉景宏(1972-)，男(漢族)，福建閩清人，副教授，博士，研究方向:木質復合材料，通信作者郵箱:ljh_wp@163.com。