玄武巖纖維與植物纖維混抄制備吸音阻燃紙的研究

徐永建 李 偉 劉 燕

（陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，輕化工程國家級實驗教學(xué)示范中心，中國輕工業(yè)紙基功能材料重點實驗室，陜西西安，710021）

吸音阻燃特種材料的研究與應(yīng)用對于噪聲污染的治理和火災(zāi)預(yù)防具有十分重要的意義。玄武巖纖維是由工業(yè)廢渣或天然巖石通過熔融法離心噴絲制得的一種無機纖維，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、機械性能好、耐高溫和阻燃性能好等優(yōu)點[1]。而無機纖維也是目前聲學(xué)工程中使用的主要材料之一[2-4]，對于降低噪聲污染和改善室內(nèi)音質(zhì)等方面都有良好的效果。這類材料不僅吸音性能良好，而且質(zhì)輕、不燃，但其安裝不便，在施工時容易卷曲、折斷和散落，從而對環(huán)境造成污染，并危害到人們的身體健康[5]。隨后，具有阻燃、耐高溫和高強度等特點的金屬纖維吸音材料問世，其吸音性能優(yōu)異[6]，但造價較高，工藝復(fù)雜。隨著人們對纖維類吸音材料性能要求的不斷提高，以及對資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)意識的日益強烈，設(shè)計開發(fā)高吸音性能的新型纖維、制備纖維吸音復(fù)合材料，成為纖維吸音材料的發(fā)展趨勢[7-9]。Yang等人[10]將稻草和木材纖維混合，質(zhì)量比為1∶9 和2∶8，制備的多孔復(fù)合材料的音頻范圍在500～8000 Hz，吸音性能優(yōu)于傳統(tǒng)的纖維板、膠合板和刨花板。王軍鋒等人[11]以木質(zhì)纖維和聚酯纖維為原料，異氰酸酯為膠黏劑，采用聚合物發(fā)泡和人造板工藝制備了木質(zhì)纖維/聚酯纖維復(fù)合吸音材料，吸音系數(shù)高達(dá)0.7。

在某些情況下，纖維類吸音材料只具備吸音性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要同時具備質(zhì)輕、阻燃、易降解等特性[12-14]。只有纖維吸音材料達(dá)到多功能化，才能得到更廣泛的應(yīng)用[15-18]。而吸音阻燃紙主要用于室內(nèi)的裝飾裝修，植物纖維的可燃性就決定了對材料的防火阻燃性有特殊的要求。目前，阻燃技術(shù)已進(jìn)入一個新的發(fā)展階段，朝著高效、經(jīng)濟、環(huán)保型方向發(fā)展[19-21]。低的火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒌蜔?、低毒是對阻燃劑的基本要求，而且要求阻燃劑高效，添加量小。阻燃材料還需具有以下性能[22]：①尺寸穩(wěn)定性好；②不增加吸濕性；③具有較好的耐水性和耐久性；④熱處理時變黃和強度降低要少。

玄武巖纖維/植物纖維復(fù)合材料是一種兼有吸音和阻燃特性的新型材料，可以與穿孔天花板配合使用，也可以作為密封材料應(yīng)用于多種建材領(lǐng)域。近年來，隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，人們對于生活環(huán)境逐漸向著安全、舒適、環(huán)保的方向發(fā)展，對于建筑材料的性能要求也越來越高。玄武巖纖維/植物纖維復(fù)合材料可以在較寬的頻帶內(nèi)有良好的吸音效果，完全可以替代以離心玻璃棉為代表的傳統(tǒng)多孔吸聲材料等，這種同時具備環(huán)保性、阻燃性、裝飾性的吸音材料將會越來越多地得到市場的認(rèn)可，具有廣闊的市場前景和經(jīng)濟價值。

本研究以玄武巖纖維、漂白硫酸鹽針葉木漿纖維為原料，通過濕法成形，浸漬黏結(jié)劑和阻燃劑，制備吸音阻燃紙。探究礦物纖維分散性、濕紙干度、黏結(jié)劑和阻燃劑用量等因素對吸音阻燃紙性能的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

漂白硫酸鹽針葉木漿，廣西鳳凰紙業(yè)提供；玄武巖纖維，咸陽美特環(huán)保有限公司提供；分散劑XYF，咸陽美特環(huán)保有限公司提供；黏結(jié)劑（A01），山東優(yōu)索化工科技有限公司提供；2122 型阻燃劑(FR)，煙臺艾弗爾化工科技有限公司提供。

1.2 儀器及設(shè)備

纖維質(zhì)量分析儀（Techpap，法國）；紙頁成型器（TD10-H，咸陽通達(dá)輕工設(shè)備有限公司）；紙漿標(biāo)準(zhǔn)解離機（ZBJ-1，長春市紙張試驗機廠）；掃描電子顯微鏡（S4800，日本HITACHI 公司）；熱重分析儀（STA449F3，德國耐馳儀器制造有限公司）；阻燃垂直燃燒測定儀（KS-50B，泰思泰克檢測儀器科技有限公司）；阻抗管（SW422、SW477，北京聲望聲電技術(shù)有限公司）。

1.3 實驗方法

1.3.1 玄武巖纖維分散

配制漿濃為0.03%玄武巖纖維漿料，加入用量分別為0.002%、0.004%、0.006%的分散劑（相對于絕干漿），疏解10000 轉(zhuǎn)，備用。觀察玄武巖纖維的分散效果，并測定玄武巖纖維的沉降時間、沉降指數(shù)。采用MorFi 纖維質(zhì)量分析儀測定玄武巖纖維長度、寬度等纖維形態(tài)特征參數(shù)。

1.3.2 濕紙干度的確定

抄片：取打漿度為15.0°SR的針葉木漿，按照一定比例與玄武巖纖維漿混合，同時加入一定量的分散劑，疏解10000轉(zhuǎn)，制成均勻的紙漿懸浮液用于抄片。

濕紙干度的確定：固定黏結(jié)劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，將不同干度的濕紙浸漬30 s，在140℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥，研究濕紙干度對浸漬工藝的影響，以確定最佳濕紙干度。

1.3.3 黏結(jié)劑用量研究

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%的黏結(jié)劑溶液，將一定定量的濕紙在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黏結(jié)劑溶液中浸漬30 s，在140℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥。確定最佳的紙張含膠量，制備吸音阻燃紙。

1.3.4 阻燃劑用量研究

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、3%、4%、5%的阻燃劑溶液，將上述1.3.2 制得的濕紙在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的阻燃劑溶液中浸漬30 s，在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中140℃干燥。確定最佳阻燃劑含量。

浸漬工藝流程圖如圖1所示。

1.4 性能測定

1.4.1 紙張物理性能的測定

紙張厚度依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 451.3—2002 測定；紙張定量依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 451.2—2002 測定；紙張抗張強度依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12914—2018測定。

1.4.2 紙張阻燃性能的測定

圖1 浸漬工藝流程圖

紙張的阻燃性能參照GB/T 14656—2009標(biāo)準(zhǔn)測定，將樣品裁成（210×70）mm的尺寸，垂直固定在燃燒箱的夾子上，調(diào)整火焰高度為2 cm，點火5 s后移走火焰，最后以炭化長度（炭化后，樣品強度明顯發(fā)生變化的部分）來區(qū)分等級，阻燃性能的種類和要求如表1所示[23]。

表1 阻燃性能的種類和要求

1.4.3 紙張吸音性能的測定

參照GB/T 18696.2—2002 和ISO 10534—2:2001標(biāo)準(zhǔn)測定紙張的吸音系數(shù)，測定示意圖如圖2 所示。將樣品粘貼于板厚度為1 mm、孔徑為3 mm、穿孔率為18%的鋁合金穿孔板上測定其吸音性能，設(shè)置空腔為25 mm，測定頻率為125～6300 Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖纖維分散性和形態(tài)分析

2.1.1 玄武巖纖維形態(tài)分析

玄武巖纖維的長度和寬度測定結(jié)果分別如圖3 和圖4 所示。從圖3 可以看出，玄武巖纖維的平均長度主要分布在6～12 mm，所占百分比為73.3%，平均長度為10 mm。從圖4 可以看出，玄武巖纖維的平均寬度范圍主要分布在5～15 μm，所占百分比為74.5%，玄武巖纖維的平均寬度為11.8 μm。

圖3 玄武巖纖維的長度分布

圖4 玄武巖纖維的寬度分布

2.1.2 玄武巖纖維分散性

玄武巖纖維親水性較差，沉降速度快，容易絮聚，分散較為困難，需加入一定量的分散劑。實驗研究了不同分散劑用量對玄武巖纖維沉降指數(shù)和沉降時間的影響，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，隨著分散劑用量的增加，玄武巖纖維的沉降時間、沉降指數(shù)均在不斷上升，當(dāng)分散劑用量為0.006%時，玄武巖纖維的分散性能達(dá)到最佳，沉降時間從7 min 增加到14 min，沉降指數(shù)從0.08增大到0.23。圖6為玄武巖纖維的分散效果圖。從圖6可以看出，當(dāng)分散劑用量為0.006%時，玄武巖纖維呈單根分散狀態(tài)，沒有明顯的絮聚團(tuán)，容易形成均勻分散的纖維懸浮液。

圖5 分散劑用量對玄武巖纖維沉降指數(shù)和沉降時間的影響

圖6 玄武巖纖維分散效果圖

2.2 吸音阻燃紙的制備工藝優(yōu)化研究

2.2.1 濕紙干度對浸漬工藝的影響

吸音阻燃紙制備中的后續(xù)浸漬工藝采用的是濕態(tài)浸漬，但由于玄武巖纖維表面光滑，無分絲帚化現(xiàn)象，纖維表面也沒有可以形成氫鍵的羥基，所以在成形時無法自然產(chǎn)生強度，因此抄造的濕紙強度低，浸漬過程中容易出現(xiàn)紙幅破損和黏網(wǎng)現(xiàn)象。實驗研究了濕紙干度對浸漬工藝的影響，以期提高濕紙強度，并有利于吸收浸漬液，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著濕紙干度的提高，含膠量逐漸增加，松厚度不斷減小。濕紙干度達(dá)到30%時，其含膠量相比濕紙干度10%時增加了4.5%，松厚度由4.75 cm3/g下降至4.68 cm3/g。當(dāng)濕紙干度超過30%時，松厚度下降幅度增大，濕紙干度達(dá)到50%時，松厚度下降至4.21 cm3/g，相比濕紙干度10%時下降了11.4%，這說明濕紙干度和含膠量的增加對松厚度均有負(fù)面影響，綜合考慮確定濕紙干度為30%。

圖7 濕紙干度對浸漬工藝的影響

圖8 黏結(jié)劑用量對吸音阻燃紙物理性能的影響

2.2.2 黏結(jié)劑用量對吸音阻燃紙物理性能的影響

黏結(jié)劑用量對吸音阻燃紙物理性能的影響如圖8所示。由圖8可知，隨著黏結(jié)劑用量的增大，吸音阻燃紙的抗張強度逐漸增加，孔隙率不斷減小。當(dāng)黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，吸音阻燃紙的含膠量為14.9%時，抗張強度提高到1.23 kN/m，已經(jīng)可以滿足產(chǎn)品的指標(biāo)要求（＞1 kN/m）。從圖8還可以看出，當(dāng)黏結(jié)劑用量從6%增加到8%時，含膠量從14.9%增加至23.6%，抗張強度雖然也隨之增加，但吸音阻燃紙的孔隙率和松厚度都大幅下降，孔隙率從80.8%減小到61.1%，最大下降了24.4%；松厚度從4.80 cm3/g降低到3.91 cm3/g，最大下降了18.5%。這是因為隨著含膠量的增大，膠液不僅附著在玄武巖纖維與植物纖維之間，而且滲透到孔隙內(nèi)部，造成濕紙的松厚度和孔隙率降低，進(jìn)而導(dǎo)致吸音阻燃紙的吸音性能下降。綜合考慮，確定吸音阻燃紙的含膠量為14.9%。

2.2.3 阻燃劑含量對吸音阻燃紙性能的影響

阻燃劑含量對吸音阻燃紙性能的影響如表2所示。由表2可知，阻燃劑的加入對吸音阻燃紙的松厚度和孔隙率的影響不大，但隨著阻燃劑含量增大，其抗張強度逐漸下降。在阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時，吸音阻燃紙的含膠量為14.9%，阻燃劑含量為11.63%，阻燃效果可達(dá)到1級阻燃標(biāo)準(zhǔn)，抗張強度為1.03 kN/m，可以滿足產(chǎn)品的要求。綜合考慮，確定阻燃劑含量為11.63%。

表2 阻燃劑含量對吸音阻燃紙性能的影響

2.3 吸音阻燃紙的形貌分析

對吸音阻燃紙進(jìn)行SEM和EDS表征，表征結(jié)果見圖9。從圖9(b)中可以看出，黏結(jié)劑主要是以乳膠狀的形態(tài)填充在植物纖維與玄武巖纖維之間，通過增強纖維間的結(jié)合強度來增大成紙的抗張強度。由圖9(c)中可以看出，阻燃劑呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，且尺寸較小，玄武巖纖維呈圓筒狀，其表面光滑，不易吸附阻燃劑，阻燃劑主要分布于植物纖維表面，起到保護(hù)植物纖維避免其燃燒的作用。從圖9(d)阻燃劑的EDS分析可知，阻燃劑類型為磷氮系阻燃劑，其在燃燒時會分解并釋放出氮氣、二氧化碳以及其他不燃性氣體，不僅稀釋了因纖維燃燒產(chǎn)生的可燃?xì)怏w的濃度，同時降低了火焰中心區(qū)域氧氣的濃度，使其難以燃燒，從而達(dá)到阻燃效果。

2.4 吸音阻燃紙的熱穩(wěn)定性分析

圖10 所示分別為空白紙樣、浸漬黏結(jié)劑紙樣和吸音阻燃紙紙樣的熱重曲線圖。由圖10 可以看出，空白紙樣在溫度為310℃時開始出現(xiàn)大量的質(zhì)量損失，總質(zhì)量損失率在65%左右，這主要是由于植物纖維中半纖維素和纖維素降解熱揮發(fā)造成的質(zhì)量損失。由圖10 還可以看出，浸漬黏結(jié)劑紙樣有兩個明顯的分解階段，且第一階段分解的開始溫度和結(jié)束溫度與空白紙樣相近，但質(zhì)量損失率明顯減小，在30%左右。這是因為黏結(jié)劑覆蓋在植物纖維表面，形成一層保護(hù)膜，從而阻礙了植物纖維的熱降解。在360～420℃的第二分解階段，黏結(jié)劑開始分解，纖維素的結(jié)晶區(qū)也完全被破壞，大量可燃物質(zhì)在瞬間被熱解噴發(fā)，纖維素?zé)峤怆A段結(jié)束，總質(zhì)量損失率與空白紙樣相近。而吸音阻燃紙的熱降解可以分為三個階段：第一階段為210～300℃，此階段為吸音阻燃紙中的自由水和結(jié)晶水脫出過程；第二階段為300～420℃，與空白紙樣相比，質(zhì)量損失速率明顯下降，這是由于阻燃劑的存在使得纖維素半纖維的脫水反應(yīng)大大提前。第三階段為320～600℃，這一階段質(zhì)量損失接近平滑，質(zhì)量損失率僅為15%。吸音阻燃紙分解溫度的提高和總質(zhì)量損失率的明顯下降，說明阻燃劑有效地提高了吸音阻燃紙的熱穩(wěn)定性能和阻燃性能。

圖9 吸音阻燃紙的SEM及EDS圖

圖10 3種紙樣的熱重曲線圖

2.5 吸音阻燃紙的阻燃性能分析

表3 所示為吸音阻燃紙的阻燃性能測定結(jié)果。由表3 可知，當(dāng)阻燃劑含量為11.63%時，炭化長度為43 mm，小于1 級阻燃炭化長度（50 mm），可以達(dá)到1級防火阻燃標(biāo)準(zhǔn)。

表3 吸音阻燃紙的阻燃性能測定結(jié)果

2.6 吸音阻燃紙的吸音性能分析

表4為不同紙樣的松厚度和孔隙率對吸音性能的影響。圖11為不同紙樣的吸音性能。從表4和圖11可以看出，吸音阻燃紙的松厚度越高，孔隙率越大，其吸音性能越高。在聲波進(jìn)入材料內(nèi)部時，聲波的振動帶動材料孔隙內(nèi)的空氣材料也產(chǎn)生運動，并且與孔壁發(fā)生摩擦，通過摩擦和黏滯力的作用，絕大多數(shù)聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲波衰減，反射聲較弱，達(dá)到吸音的目的。在吸音阻燃紙的含膠量為14.9%、阻燃劑含量為11.63%時，其孔隙率為75.6%，平均吸音系數(shù)為0.57，并且在頻率達(dá)到3150 Hz時，吸音阻燃紙與阻抗管的剛性壁之間的空氣層形成了共振吸聲結(jié)構(gòu)，在共振頻率處出現(xiàn)最大吸音系數(shù)，最大吸音系數(shù)為0.84。

表4 不同紙樣的松厚度和孔隙率對紙張吸音性能的影響

圖11 不同紙樣的吸音性能

2.7 吸音阻燃紙與常用吸音阻燃材料的性能對比

表5 為吸音阻燃紙與常用的吸音阻燃材料的性能參數(shù)對比。從表5可以看出，與目前市場上常用的纖維類吸音阻燃材料相比，吸音阻燃紙具有較好的中高頻吸音性能，其防火等級可以達(dá)到1級阻燃標(biāo)準(zhǔn)，且產(chǎn)品質(zhì)量較輕，在吸音效果相當(dāng)?shù)那闆r下，其定量為60 g/m2，比傳統(tǒng)玻璃棉纖維材料輕約25 倍，厚度僅為0.25 mm，約為玻璃棉纖維材料的1/200，可大大降低運輸和倉儲的成本，并且制備工藝簡單，透氣性良好，可滿足新型建筑裝飾材料對于環(huán)保性、裝飾性、阻燃性和吸音性能的更高要求。

表5 吸音阻燃紙與常用的纖維類吸音阻燃材料的性能參數(shù)對比

3 結(jié) 論

本研究以玄武巖纖維、漂白硫酸鹽針葉木漿纖維為原料，通過濕法成形、浸漬黏結(jié)劑和阻燃劑，制備吸音阻燃紙。

3.1 當(dāng)分散劑XYF 用量為0.006%時，玄武巖纖維的沉降時間從7 min 增加到14 min，沉降指數(shù)從0.08增大到0.23，玄武巖纖維分散性能最佳。

3.2 浸漬黏結(jié)劑和阻燃劑，吸音阻燃紙的松厚度和孔隙率降低幅度不大，在各項物理性能和阻燃性的要求下，吸音阻燃紙仍能保持較高的吸音性能。在針葉木纖維與玄武巖纖維配比為7∶3、濕紙干度為30%、浸漬時間30 s、干燥溫度140℃、含膠量為14.9%、阻燃劑含量為11.63%的最佳制備條件下，定量60 g/m2的吸音阻燃紙的抗張強度為1.03 kN/m，孔隙率為75.60%，炭化長度為43 mm，阻燃效果可達(dá)到GB/T 14656—2009標(biāo)準(zhǔn)中的1級阻燃標(biāo)準(zhǔn)，吸音系數(shù)最高可達(dá)0.84。

3.3 與市場常用吸音阻燃材料相比，自制吸音阻燃紙除了具有優(yōu)良的聲學(xué)性能和阻燃性能外，其產(chǎn)品質(zhì)地較輕，安裝方便，可以廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝飾裝修領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景和經(jīng)濟價值。