改性丝素蛋白与氮磷盐及二氧化硅复配自组装纸品阻燃等性能研究

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生物材料具有可再生、环保、无毒、成本低廉等特点广泛应用于各个领域。结合含磷元素、硅元素阻燃剂及阻燃纸品的国内外研究现状,认为生物蛋白材料的促成炭作用、磷酸盐的催化炭化作用以及硅系材料隔热作用相结合,极大可能成为生产阻燃纸品的新型高效阻燃技术。为改善纸品阻燃性能及其他特性,本文采用生物蛋白材料为主体,以三聚氰胺磷酸盐(MP)与二氧化硅/氮化硅(Si O2/Si3N4)阻燃体系为依托,在纸品表面展开生物蛋白基膨胀阻燃体系的构建。对比分析后深入研究最佳生物蛋白材料阻燃机理,并从工程应用特性两方面进行研究。为了研究生物蛋白材料对纸制品是否具备阻燃效果,首先使用Al SO4对蛋壳粉(EP)进行改性,辅以MP构建阻燃体系涂覆于纸品表面。结果表明:EP中的碳酸钙及少量蛋白质发挥了一定的阻燃作用。其次,使用环保中性盐溶液NH4Cl对卵清蛋白(CO)进行改性,辅以MP及Si3N4构建氮—磷—硅阻燃体系,运用涂布法制备阻燃纸品。结果表明:CO中较多的蛋白质增强了氮—磷—硅阻燃体系的阻燃效果。为进一步增强生物蛋白对纸品的阻燃效果,使用D-果糖对大豆分离蛋白(SPI)进行改性,辅以MP及Si3N4构建氮—磷—硅阻燃体系,运用涂布法制备阻燃纸品。结果表明:改性SPI阻燃纸品已经具备优良的阻燃性能。最后,基于三种生物蛋白基阻燃纸品的研究,为更进一步改善纸品的阻燃性能,设计采用阳离子纤维素(JR-400)对丝素蛋白(SF)进行改性,辅以MP及Si O2构建氮—磷—硅阻燃体系在纸品表面进行组装。结果表明:改性SF涂装组阻燃纸品阻燃效果最为优异。为了探究含氮磷盐及硅系材料在纸品阻燃中的协同作用,使用MP、Si O2分别及混合涂装于纸品表面。垂直燃烧测试(VFT)结果表明,经MP涂装的纸制品火焰续灼燃时间缩短尤为明显,经涂装Si O2的纸品火焰燃烧时间缩短尤为明显,混合涂装的纸品结合了MP、Si O2涂装纸品的优势,改善阻燃效果非常明显。极限氧指数测试(LOI)结果显示,混合涂装的纸品LOI数值远远高于分别涂装纸品数值。MP的成炭能力及Si O2的隔热能力在阻燃中协同发挥作用。通过对四种生物蛋白基阻燃纸品燃烧性能的研究,为更深层研究生物蛋白在氮—磷—硅膨胀阻燃体系的阻燃机理,对SF改性组装阻燃纸的阻燃性能及工业性能进一步探究。阻燃结果显示,组装层数的增多,抑制燃烧性能越好,LOI数值高达38%,炭化长度仅为未处理试样的42%,热释放速率、总释放热及CO产生速率显著降低,分解温度及残炭量升高。阻燃机理主要为阻燃层在燃烧过程中释放出大量的不燃气体,SF及MP可以催化纸张纤维形成丰厚碳质炭层,Si O2阻隔基体与外界进行热量和质量的传递,降低火灾危险性。工业性能结果显示,阻燃涂层对试样色泽度有增效作用,对透光性有一定影响,摩擦后的涂层牢固度小幅度下降,组装后的试样的实用性差异不大。
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