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阻燃剂的存在,让纸终于能“包”住火
2020年09月22日 发布 分类:技术前沿 点击量:491
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俗话说,“纸不能包火”。这是由于无论是纸张还是纸制品,它们基本都是由植物纤维所组成的,植物纤维的可燃性使它们遇到火星便会“一点即着”,继而酿成火灾,因此长期以来纸制品一直都是消防工作的重点防范对象。

阻燃剂

解决火灾隐患的方法有很多,比如说合理的防火布置及定期的安全检查。不过要想更直接一点,也可以从源头开始根治,也就是让纸制品具备较高的阻燃性能——因此阻燃剂在造纸行业中的应用逐渐得到重视,像烟气过滤袋、航天航空用纸、可加热纸餐盒等就是一些比较典型的阻燃纸制品。

一、阻燃剂的原理

纸张之所以能被点燃,是因为纸的成分中有纤维,其中含有碳氢氧元素,当温度达到一定程度时,就可以和空气中的氧气发生化学反应,同时放出热量,这个过程表现出来就是燃烧。

因此如果要阻止这个过程,阻燃剂至少需要实现以下的任意一点:①隔离纸面和火焰,防止纸制品与氧气直接接触;②降低或消耗燃烧环境中的氧;③加入的物质受热分解吸收大量热能,降低燃烧区温度。

二、阻燃纸的加工方法

采用何种工艺和技术让纸基材料具有阻燃性,要根据阻燃剂的性质和特点来决定。下面是几种目前生产中较常用的阻燃工艺方法。

1.用难燃或不燃纤维原料

采用特殊的造纸工艺,制造不燃纸或难燃纸,如采用石棉纤维或者玻璃纤维等制造难燃纸或不燃纸。但由于石棉纤维或者玻璃纤维强度都很低,且对人体健康有害,使用上受到很大限制。

2.浸渍法

浸渍法适用于水溶性阻燃剂,即把水溶性阻燃剂配成溶液,浸渍到纸中去,经加热干燥后即可制得难燃纸。这种方法要求纸张具有相当高的吸收性和湿强度指标,不过得到的阻燃纸耐水性差,吸潮性强,纸容易发黄变硬。

3.涂布法

该方法适用于不溶或难溶的阻燃剂。把阻燃剂粉料均匀分散在某种粘结剂中,制成乳状涂料,然后用涂布的方法把此涂料涂在纸的表面上,经加热干燥即可得涂布型阻燃纸。为取得良好的阻燃效果,阻燃剂以粒径小且均匀的为好。不过这种方法制备的阻燃纸阻燃效果一般。

4.内添法

该方法适用于水不溶性阻燃剂,将阻燃剂于其他填料一起添加到纸浆中去,然后抄造成纸。添加部位比较灵活,只要能够保证其在浆料中均匀分散就可以了。该方法的优点是适用于各种纸的生产,工艺操作简单,阻燃剂在纸中的分布比较均匀,故纸的阻燃功能比较均一。缺点是阻燃剂流失比较严重,可以通过加入合适的助留剂来解决这个问题。

阻燃剂

防火纸

三、阻燃剂的种类及机理

阻燃剂种类繁多,按所含阻燃元素的不同,可分为磷系、卤系、硼系和无机元素等几类。

1.磷系阻燃剂

纸用阻燃剂的含磷化合物,近年来常用的有磷酸盐、磷酸酯衍生物及聚磷酸酰胺等有机化合物。它们在燃烧状态下会生成挥发性磷化合物和磷酸,以气体形式冲淡氧气和可燃性气体,起到稀释作用;同时磷酸会变成偏磷酸和多偏磷酸,在燃烧的固相上形成不挥发的聚合物保护膜,从而起到阻燃作用。

2.卤系阻燃剂

卤素大多数均可作为阻燃元素,但由于其稳定性和来源等因素,所以在实际应用中大量使用的是溴系和氯系作阻燃剂。卤系阻燃剂在燃烧时受热分解产生卤化氢,卤化氢消耗高分子降解产生的自由基,延缓或中断燃烧的链反应。同时卤化氢作为一种难燃气体(密度大于空气),燃烧时可在纸及纸制品表面形成高浓卤化氢屏障,降低可燃性气体浓度,隔绝空气,最终达到阻燃目的。

3.硼系阻燃剂

硼酸盐的阻燃作用主要来自以下几个方面:能够形成玻璃态无机膨胀涂层;能促进成炭;能阻碍挥发性可燃物的逸出;能在高温下脱水,具有吸热、发泡及冲稀可燃物的功效。目前,由于稳定性及价格等因素,硼系阻燃剂以无机硼酸盐和硼酸为主。

4.氮系阻燃剂

氮系阻燃剂主要是指三聚氰胺及衍生物,另外还有磷酸铵、氯化铵、磺胺酰铵、硫酸腻等。氮系化合物燃烧时受热分解后释放出N2CO、NH等气体,阻断了氧的供应,从而达到阻燃效果。氮系阻燃剂有的可单独使用,有的是膨胀性阻燃剂的主要成分。这些阻燃剂无卤、低毒、不腐蚀、对热和紫外线稳定,阻燃效果极佳。

5.无机阻燃剂

与上述阻燃剂相比,在环保要求日益加强的今天,无机阻燃剂其实具备更强大的竞争力和发展潜力,除了具有抑制发烟和氯化氢生成的作用外,它们还能赋予材料无毒性、无腐蚀性,因而被广泛应用。近年来用于纸的阻燃方面的阻燃剂主要有三水合铝、氢氧化镁等。

①三水合铝

三水合铝,也就是氢氧化铝ATH),因具有稳定性好,毒性低或无毒,不产生腐蚀性气体,阻燃效果持久,消烟等特性而得到广泛应用。其分解放出的水蒸气也可稀释可燃性气体,兼有冷却的作用。另外,氢氧化铝填充到高聚物里有助于燃烧生成碳化层,覆盖在纸制品表面,达到阻燃目的。目前,全球各类阻燃剂的年用量估计已达到60万吨,其中三水合氧化铝约占50%。

阻燃剂

氢氧化镁

氢氧化铝是一种环保型的绿色无机阻燃剂,兼具阻燃、抑烟、抗酸以及填充等功能。氢氧化镁热分解温度在340℃左右,比目前常用的无机阻燃剂氢氧化铝高出140℃,可以使添加氢氧化镁的合成材料能承受更高的加工温度,利于加快挤塑速度,缩短模塑时间。此外,氢氧化镁粒径一般较细,对设备磨损小,利于延长加工设备使用寿命。

目前业界认为氢氧化镁的阻燃和抑烟机理主要是由于以下几方面作用:(1)受热分解释放出,结晶水,同时释放出大量热量,从而抑制聚合物材料温度升高;(2)分解产生的稳定的氧化镁覆盖于可燃物表面,起到一定的隔热作用;(3)分解时产生大量的水蒸气降低了气相燃烧区中可燃物的浓度。不过由于氢氧化镁的阻燃效率较低,因此它一般会与其他阻燃剂一起协同作用,如氢氧化铝、红磷、硼化物等。

阻燃剂

氢氧化镁产品(图片来源:天赐)

资料来源:

阻燃防火纸的研制,周辉。

 

粉体圈NANA整理


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