百欧林 Nov 23, ’48

采用纤维素纤维的层层组装处理对纸张的阻燃性和强度进行调控

摘要:

采用层层组装(LbL)技术,将阳离子聚乙烯亚胺(PEI)和阴离子表面活性剂六偏磷酸钠(SHMP)组成的多层聚电解质吸附到纤维素纤维上,以提高由这些纤维制成的纸张的阻燃性和拉伸强度。利用模型纤维素表面和石英晶体微天平技术研究了PEI分子量对多层膜构建的影响。采用聚电解质滴定法研究了低分子量(LMw)和高分子量(HMw)的PEI在纤维素纤维和羧甲基(CM)纤维素纤维表面上的吸附。用PEI和SHMP连续处理纤维,在纤维表面上沉积3.5个双层薄膜,然后将处理过的纤维用于制备片材。因此同时,用相同的层层组装技术制备一个湿强度的纸张。层层组装处理的纤维的热重分析显示纤维素降解的起始温度降低,并且在800℃下残留物的质量增加。使用水平燃烧性能测试和垂直燃烧性能测试来评估纸张的燃烧行为。虽然纤维素纤维和CM-纤维素纤维通过HMW-PEI / SHMP层层组装处理后所得的纸张吸附的聚合物的量相当低,只形成了非常薄的膜(湿厚度约17nm),但在水平燃烧性能测试中能够发生自熄。浆张拉伸性能显示,具有3.5个HMw-PEI和SHMP双层薄膜的纸张断裂应力与未处理的纤维素纤维制备的片材相比提高了100%。

 

关键词:层层组装;阻燃性;热稳定性;纤维素纤维;聚乙烯亚胺;六偏磷酸钠

 

使用的仪器和方法:耗散型石英晶体微天平

 

本文使用由瑞典百欧林科技有限公司生产的QSense耗散型石英晶体微天平(QCM-D)来研究多层膜的构建。使用的基材是AT切石英晶体,用超纯水、乙醇和超纯水依次冲洗,并采用等离子体处理3分钟来清洁。根据Gunnars等人描述的过程,在旋涂之前使用PV Am作为固定层,在干净的芯片表面上制备模型纤维素。在模型纤维素表面上通过用阳离子聚合物溶液和阴离子聚合物溶液进行连续处理来制备层层组装薄膜,中间冲洗步骤以150uL/min的速度连续流动,并通过QCM-D实时监测吸附。Rodahl等人描述了QCM-D过程的理论基础,归一化频率的变化与包括溶剂质量在内的总吸附质量成比例。可以使用Sauerbrey关系来计算平整和均匀吸附薄膜的总质量。

 

聚电解质多层膜在模型纤维素表面上的吸附

在模型纤维素表面上形成阳离子PEI和阴离子SHMP组成的聚电解质多层膜,对层层交替组装过程进行定量测定。下图是QCM-D的测量结果,显示了在10mM NaCl溶液中依次沉积两种不同分子量的PEI和SHMP时,第三谐频的归一化频率和耗散的变化。

 

上图在QCM-D测得的3.5个双层的(PEI / SHMP)在模型纤维素和模型CM-纤维素表面上进行的层层组装。

a 归一化化频率的变化;b能量耗散的变化;c使用Sauerbrey方程计算的薄膜的总吸附质量,包括被吸附层内固定的溶剂质量。

 

结论:

该研究显示采用层层组装的方法将膨胀型阻燃组分(PEI和SHMP)吸附到木质纤维素纤维上对形成的纸张的阻燃性能具有明显积极的影响。在氮气中的热重分析显示在800℃下残留物的量增加,表明LbL处理后的纤维成碳能力明显增强。LbL处理显著改善了纸张的易燃性。在水平燃烧性能试验中,由HMw-PEI和SHMP处理过的纤维制备的纸张在火焰施加后15秒表现出自熄灭行为,而未经处理的纸张则在56s燃烧完全。在垂直燃烧性能测试之后,所有经LbL处理的纸张均在纤维上形成连贯且完整的炭层。这种效果在经HMw-PEI / SHMP处理后的羧甲基纤维表现得更明显。LOI值的增加也表明LbL处理后可增强阻燃性能,需要更多的氧气来支持火焰传播。这归因于这种LbL组合的完全成膜,特别是对于HMw-PEI / SHMP组合,如QCM-D模型和AFM研究所证实的,此时吸附层中SHMP的含量更高。由LbL处理后的纤维制备的纸张的机械强度明显更好,特别是当纤维素纤维中含有HMw-PEI时。在所有情况下,HMw-PEI / SHMP的引入都比LMw-PEI / SHMP有更大的提升。这些研究结果仅用3.5 BL沉积就可以实现,这表明LbL技术是一种简单有效的改善纤维的表面性能的方法,可以在降低木质纤维易燃性的同时增强纸材的机械性能。

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