基于可膨脹石墨的阻燃紙板制備和研究

孫俊軍，索艷格，張治國，孫耀宇，王長智,胡力萌

(1.浙江大勝達(dá)包裝有限公司，杭州 311202；2.浙江科技學(xué)院 a.機(jī)械與汽車工程學(xué)院；b.生物與化學(xué)工程學(xué)院，杭州 310023)

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基于可膨脹石墨的阻燃紙板制備和研究

孫俊軍1，索艷格2a，張治國2a，孫耀宇2b，王長智2b,胡力萌1

(1.浙江大勝達(dá)包裝有限公司，杭州 311202；2.浙江科技學(xué)院 a.機(jī)械與汽車工程學(xué)院；b.生物與化學(xué)工程學(xué)院，杭州 310023)

摘要:采用涂覆法制備了基于可膨脹石墨的阻燃紙板，運(yùn)用氧指數(shù)(OI)測試方法評(píng)價(jià)紙板的阻燃性，探討了EG/MH/Na2SiO3·9H2O型復(fù)合阻燃劑中可膨脹石墨(EG)、氫氧化鎂(MH)及硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)用量對(duì)OI的影響。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的復(fù)合阻燃劑配方為EG 10 g，MH 5 g，Na2SiO3·9H2O 水溶液中Na2SiO3·9H2O 50 g，水50 g。阻燃劑攪拌混合均勻后涂覆于瓦楞紙板上，采用0.10 mm的涂布厚度，可以使瓦楞紙板具備阻燃效果，其OI為28.3%，屬于難燃級(jí)別。

關(guān)鍵詞:可膨脹石墨；阻燃紙板；氧指數(shù)；氫氧化鎂；硅酸鈉

紙包裝行業(yè)是包裝業(yè)中發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一，有著較大的發(fā)展空間，瓦楞紙板被認(rèn)為是最有前途的綠色包裝材料[1]。瓦楞紙箱是由瓦楞紙板制作而成的紙容器包裝，廣泛用于運(yùn)輸包裝。一百多年來，瓦楞紙箱已經(jīng)成為運(yùn)輸包裝的主要包裝形式，是全世界應(yīng)用范圍最廣的包裝材料。然而，紙包裝材料仍然具有較多的弱點(diǎn)，如不耐水、不耐火等，限制了一些特殊場景下的紙包裝應(yīng)用，比如易燃、易爆等危險(xiǎn)產(chǎn)品的包裝。對(duì)這類有防火阻燃需求的功能性紙包裝，需對(duì)紙包裝進(jìn)行阻燃處理以達(dá)到消防安全的標(biāo)準(zhǔn)。

添加阻燃劑是降低紙制品燃燒性的主要途徑[2]。盡管化學(xué)膨脹型阻燃劑已經(jīng)運(yùn)用多年，但是其局限性明顯，尤其是其耐候性、鹽析性及水溶解性等缺點(diǎn)，使其無法適應(yīng)海洋氣候、露天環(huán)境和潮濕環(huán)境[3]。而物理膨脹型阻燃劑以其無鹵、無毒、低煙、低熱釋放及阻燃效果優(yōu)異等特點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用于塑料、泡沫和涂料等領(lǐng)域[4]。高強(qiáng)度、阻燃性能優(yōu)異的阻燃紙板符合當(dāng)今社會(huì)功能化包裝的發(fā)展趨勢，具有巨大的市場需求。本研究采用涂覆法制備基于可膨脹石墨(expandable graphite, EG)的阻燃紙板，運(yùn)用氧指數(shù)(oxygen index, OI)測試評(píng)價(jià)紙板的阻燃性，探討了復(fù)合阻燃劑中EG、氫氧化鎂(magnesium hydrate, MH)及硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)用量對(duì)OI的影響。另外,還考察了涂覆復(fù)合阻燃劑前后紙板的機(jī)械性能。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料

紙制基材,BE瓦楞紙板,浙江大勝達(dá)包裝有限公司生產(chǎn)，規(guī)格為215 g/m2的美卡面紙/119 g/m2的B瓦楞紙/125 g/m2的E瓦楞紙/205 g/m2的里紙。

EG，購于青島天和達(dá)公司。本研究以規(guī)格為80目的EG為主要阻燃劑，它是一種綠色環(huán)保的新型無機(jī)阻燃劑，與有機(jī)阻燃劑相比，具有不容易起霜的優(yōu)點(diǎn)，因而可用于各種塑料材料的阻燃[5-6]。

MH，購于上海躍江鈦白化工制品有限公司，規(guī)格為1 250目。MH是一種無毒、無腐蝕的添加型無機(jī)阻燃劑，常用于制漿造紙領(lǐng)域[7-8]。

Na2SiO3·9H2O,購于天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司。它具有良好的耐熱性能和黏結(jié)強(qiáng)度[9]，可在很多高溫試驗(yàn)中用作膠黏劑。

將微溶于水的MH分散均勻加入到Na2SiO3·9H2O中，調(diào)制成乳狀涂料，用來涂覆瓦楞紙板。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1復(fù)合阻燃劑的配制

將MH固體置于研缽中研磨后，按照所需要的比例稱取一定量的EG、MH和Na2SiO3·9H2O放入燒杯中，混合均勻。在燒杯中加入適量的水并在60 ℃的水浴鍋中高速攪拌，配制成所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合阻燃劑。

1.2.2阻燃瓦楞紙板試樣的制備

將準(zhǔn)備好的BE瓦楞紙板置于自動(dòng)涂布機(jī)上，調(diào)節(jié)涂布刮刀的高度，采用0.10 mm的涂布厚度將配制的復(fù)合阻燃劑涂布在BE瓦楞紙板上。待涂覆完成后，將紙板試樣放置在50 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥一定時(shí)間。取出干燥好的紙板試樣，反面再重復(fù)上述步驟涂布、干燥1次，使復(fù)合阻燃劑均勻地涂布到紙板的正反兩面上。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，裁剪長度為80～150 mm，寬度為10 mm的紙樣，經(jīng)過適當(dāng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓處理，做OI測試。燃燒長度小于50 mm的紙樣，通過實(shí)驗(yàn)，升高OI繼續(xù)測試；反之，做相反處理。直到OI相差小于1，且2次實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，計(jì)算平均值，將其確定為OI，備用。

1.3OI測定

材料是否易燃，可通過測定OI來加以判斷。一般認(rèn)為，易燃材料的OI小于22%，可燃材料的OI在22%～27%，難燃材料的OI大于27%[10]。OI的具體測定過程如下：

1)制備待測樣品。根據(jù)GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測定燃燒行為第2部分：室溫試驗(yàn)》[11]及GB/T 10739—2002《紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件》[12]，裁切至少15個(gè)大小為(100±0.5)mm×(6.5±0.5)mm的待測紙板樣品。實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)在GB/T 2918—1998《塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境》所規(guī)定的常溫常濕狀態(tài)下進(jìn)行[13]。

2)給每個(gè)試樣標(biāo)線，標(biāo)在距點(diǎn)燃端10 mm和60 mm處(采用擴(kuò)散點(diǎn)燃法)。

3)點(diǎn)燃試樣上端，當(dāng)火焰的前鋒到達(dá)第一條刻線時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)火焰的前鋒到達(dá)第二條刻線時(shí)停止計(jì)時(shí)。如果試樣燃燒在3 min以內(nèi)，說明氧體積分?jǐn)?shù)高，則須降低氧體積分?jǐn)?shù)；反之則須提高氧體積分?jǐn)?shù)，直至3 min剛好燃燒完50 mm的標(biāo)距，這個(gè)值為最接近被測試材料的氧體積分?jǐn)?shù)值。多做幾遍實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出平均值，這個(gè)值一般作為被測試樣的氧體積分?jǐn)?shù)值。

4)OI的計(jì)算公式:

式中：YOI為氧指數(shù)值；XO2為氧的體積流量,L/min;XN2為氮的體積流量,L/min[10]。

由于EG、MH和Na2SiO3·9H2O三者都有防火阻燃的效果，因此,將分別討論三者用量對(duì)OI的影響。

2結(jié)果與討論

2.1EG用量對(duì)OI的影響

由于單組分EG粉末無法很好地吸附在紙板上，因此，本研究以一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Na2SiO3·9H2O水溶液作為膠黏劑，將不同用量的EG粉末加入其中攪拌均勻，用涂布機(jī)將其涂布到紙板上。Na2SiO3·9H2O水溶液由60 g水和40 g Na2SiO3·9H2O配制而成。

表1　EG用量對(duì)OI的影響

考察EG用量對(duì)紙板OI的影響，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)。由表1可知，EG的添加量越大，阻燃紙板的OI就越高。當(dāng)EG添加到16 g后，阻燃紙板的OI為31.7%，達(dá)到難燃級(jí)別，已符合實(shí)驗(yàn)要求。結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求和成本方面的考慮，EG的添加量16 g比較合適。因此，阻燃劑配方為EG 16 g，Na2SiO3·9H2O水溶液中的Na2SiO3·9H2O 40 g、水60 g。

2.2MH用量對(duì)OI的影響

表2　MH用量對(duì)OI的影響

除了EG有良好的阻燃性能外，MH也常作為制造阻燃紙的無機(jī)阻燃填充料來使用，而且還具有阻燃消煙的功能?？紤]到EG的成本因素，因此,在上述阻燃劑配方中減少EG用量的同時(shí)加入MH，考察不同用量MH對(duì)阻燃紙板OI的影響(表2)。在阻燃劑配方中減少EG用量后的配方：EG 12 g，Na2SiO3·9H2O 40 g，水60 g。由表2可知，隨著MH用量的增加，OI隨之增加。在添加MH 5 g時(shí)，OI達(dá)27.1%，阻燃紙板達(dá)到難燃級(jí)別。因此，阻燃劑配方為EG 12 g，MH 5 g，Na2SiO3·9H2O水溶液中Na2SiO3·9H2O 40 g、水60 g。

2.3Na2SiO3·9H2O用量對(duì)OI的影響

在復(fù)合阻燃劑中，Na2SiO3·9H2O水溶液既起到了膠黏劑的作用，也起到了阻燃劑的作用。由上述可知，在100 g Na2SiO3·9H2O水溶液中，復(fù)合阻燃劑的EG和MH的用量分別為12 g和5 g比較合適。但是，因?yàn)镋G成本的原因，用量越少越好。所以，在復(fù)合阻燃體系中適當(dāng)減少EG的用量，以考察Na2SiO3·9H2O水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紙板阻燃性能的影響(表3)。阻燃劑配方中EG和MH的用量分別為10 g和5 g。由表3可知，隨著Na2SiO3·9H2O水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，阻燃紙板的OI隨之提高。

表3　Na2SiO3·9H2O用量對(duì)OI的影響

Na2SiO3·9H2O水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，阻燃紙板達(dá)到難燃級(jí)別。而60%以上的Na2SiO3·9H2O水溶液由于太過黏稠，不利于涂布。因此，阻燃劑配方為EG 10 g，MH 5 g，Na2SiO3·9H2O水溶液中的Na2SiO3·9H2O 50 g、水50 g。

2.4阻燃瓦楞紙板試樣的機(jī)械性能

由于復(fù)合阻燃劑中的主要成分是粉末狀的EG、MH和Na2SiO3·9H2O，因此，必須分析涂覆復(fù)合阻燃劑對(duì)瓦楞紙板機(jī)械性能的影響，以判斷阻燃紙板的使用性能，結(jié)果見表4。由表4可知，涂覆復(fù)合阻燃劑后的BE瓦楞紙板機(jī)械性能略有提高，不影響阻燃紙板的正常使用。

表4　阻燃瓦楞紙板試樣的機(jī)械性能

3結(jié)語

本文研究了EG/MH/Na2SiO3·9H2O型復(fù)合阻燃劑。該復(fù)合阻燃體系以EG和MH為主要阻燃物質(zhì)，混合在可耐高溫的Na2SiO3·9H2O膠黏劑中。與有機(jī)阻燃劑相比，該復(fù)合阻燃劑具有更優(yōu)異的阻燃性能；與無機(jī)阻燃劑相比，該復(fù)合阻燃劑具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生鹵素、腐蝕性氣體。此外，無機(jī)阻燃劑添加量過大會(huì)對(duì)瓦楞紙板的性能造成影響，而EG/MH/Na2SiO3·9H2O型復(fù)合阻燃劑能有效降低此影響，并且減少阻燃劑的制造成本。

經(jīng)優(yōu)化后的復(fù)合阻燃劑配方為，EG 10 g，MH 5 g，Na2SiO3·9H2O水溶液中的Na2SiO3·9H2O 50 g、水50 g。攪拌混合均勻后涂覆于瓦楞紙板上，采用0.10 mm的涂布厚度，可以使瓦楞紙板具備阻燃效果。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，涂覆后的瓦楞紙板OI為28.3%，已達(dá)到難燃級(jí)別。而且經(jīng)該復(fù)合阻燃劑涂覆后的紙板能使普通瓦楞紙板的機(jī)械性能有所提高，不影響紙板正常使用。研究結(jié)果表明，EG/MH/Na2SiO3·9H2O型復(fù)合阻燃劑是一種有效的新型紙板阻燃劑，在紙板的阻燃應(yīng)用中將具備廣泛的應(yīng)用前景。

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doi:10.3969/j.issn.1671-8798.2016.03.004

收稿日期:2016-01-14

基金項(xiàng)目:浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ16B030001)；浙江省高校實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)目(YB201538)；浙江科技學(xué)院學(xué)科交叉預(yù)研專項(xiàng)項(xiàng)目(2015JC02Y)

作者簡介:孫俊軍(1976—)，男，陜西省咸陽人，高級(jí)工程師，主要從事包裝材料和包裝設(shè)計(jì)的研究。

中圖分類號(hào):TB484.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-8798(2016)03-0191-04

Preparation and investigation of flame resistant paperboard based on expandable graphite

SUN Junjun1，SUO Yange2a, ZHANG Zhiguo2a, SUN Yaoyu2b, WANG Changzhi2b, HU Limeng1

(1.Zhejiang Dashengda Packaging Company, Ltd., Hangzhou 311202, China; 2a. School of Mechanical and Automotive Engineering; 2b. School of Biological and Chemical Engineering,Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract:Flame resistant paperboard based on expandable graphite was synthesized through coating method. The oxygen index (OI) was tested to evaluate the flame resistant properties of the paperboard. The influences of the contents of expandable graphite (EG), the magnesium hydrate (MH) and Na2SiO3·9H2O contained in the composite flame retardant to the OI were investigated. Results showed that the optimal formula for the composite flame retardant is EG 10 g， MH 5 g，sodium silicate 50 g and water 50 g. The composite flame retardant with 0.1 mm thickness was coated on the surface of corrugated paperboard. The modified corrugated paperboard, with OI of 28.3%, exhibits a superior flame resistant property.

Keywords:expandable graphite (EG)；flame resistant paperboard；oxygen index；magnesium hydrate (MH); Na2SiO3·9H2O