一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺

1.本发明涉及功能纤维素制备技术领域，尤其是涉及一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺。


背景技术：

2.功能化纤维素由于其独特的物化特性，使其成为聚合物纳米复合材料加工的理想候选材料，在智能材料、食品、汽车、能源等领域被广泛应用。但由于生物基纤维素具有易燃、火焰传播速度快、亲水性强等缺陷，限制了其在聚合物中的应用范围。因此，制备一种环保、阻燃性纤维素具有十分重要的意义。
3.与卤素元素相比，磷元素在阻燃及环保方面具有更突出的性能。然而，磷酸化生物基纤维素具有较强的吸湿性，与非极性聚合物界面结合性差，容易在聚合物内部团聚，产生应力集中，限制了其在汽车、航空领域的应用。因此，进一步提高磷酸化生物基纤维素的疏水性至关重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，经过氨基硅油微乳液和磷酸盐改性，可以有效解决生物基纤维素的疏水性、阻燃性等问题，并可提高生物基纤维素在聚合物中的分散性能。
5.根据本发明的一个目的，本发明提供一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，包括如下步骤：
6.s1、取定量氨基硅油微乳液溶液于烧杯中，在常温下，用去离子水稀释十倍；
7.s2、取纤维素加入步骤s1溶液中，并将烧杯置于超声波振动仪中进行氨基硅油微乳液改性，期间需不断搅拌溶液；
8.s3、将反应后的共混液进行抽滤，滤饼于干燥箱中60℃条件下，干燥至恒重；
9.s4、将步骤s3干燥的滤饼加入磷酸盐/尿素/去离子水溶液中，搅拌至溶解；
10.s5、将步骤s4共混液置于恒温磁力搅拌器中进行磷酸化改性；
11.s6、对步骤s5反应后的共混液进行抽滤，滤饼于干燥箱80℃条件下，干燥至恒重；
12.s7、将步骤s6干燥后的滤饼用去离子水洗涤数次，以去除未反应附着的试剂；
13.s8、将步骤s7洗涤后的纤维素重新分散到去离子水中，并使用氢氧化钠溶液调节ph值；
14.s9、将步骤s8的滴定共混液进行抽滤，滤饼于干燥箱中60℃条件下，干燥至恒重，即可得到生物基阻燃纤维素。
15.进一步地，步骤s2中，纤维素与氨基硅油微乳液溶液质量比2:1。
16.进一步地，步骤s2中，氨基硅油微乳液于50℃下超声波振动30min改性纤维素。
17.进一步地，步骤s4中，磷酸盐可为磷酸二氢铵、磷酸氢氨、聚磷酸铵、磷酸中的一种或几种。
18.进一步地，步骤s4中，纤维素/磷酸盐/尿素/去离子水摩尔比为1:0.6:4.9:45。
19.进一步地，步骤s5中，恒温水浴温度设为80℃，改性时间为30min。
20.进一步地，步骤s8中，使用0.1m氢氧化钠溶液将其ph值调节至9.5。
21.根据本发明的另一个目的，本发明提供一种环保型生物基阻燃纤维素，采用上述方法制备而成。
22.本发明技术方案制备的环保型生物基阻燃纤维素，在高温条件下释放磷酸，释放的磷酸催化生物基纤维素链的脱水，在其表面形成致密的热稳定炭层，抑制生物基纤维素的进一步燃烧，提高纤维的残余质量，进而使其具有阻燃、防火的保护性能。
附图说明
23.图1为本发明环保型生物基阻燃纤维素制备工艺流程图；
24.图2为本发明氨基硅油微乳液改性处理图；
25.图3本发明磷酸化改性处理图；
26.图4为本发明生物基纤维素红外光谱图；
27.图5为本发明生物基纤维素tg图；
28.图6为本发明生物基纤维素dtg图；
29.图7为本发明生物基纤维素接触角图
30.图中，1、烧杯；2、氨基硅油微乳液-纤维素改性液；3、蒸馏水；4、超声波振动仪；5、温度传感器；6、支架；7、氨基硅油微乳液-磷酸化纤维素改性液；8、磁力搅拌子；9、恒温磁力搅拌器。
具体实施方式
31.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.实施例1
35.如图1-图7所示，
36.一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，如图1所示，包括以下步骤：
37.s1、取定量氨基硅油微乳液溶液于烧杯中，在常温下，用去离子水稀释十倍；
38.s2、取生物基纤维素加入稀释后的氨基硅油微乳液溶液中，纤维素与氨基硅油微乳液溶液质量比2:1，然后将烧杯置于超声波振动仪中进行氨基硅油微乳液改性，期间需不断搅拌溶液，如图2所示；
39.s3、将生物基纤维素于氨基硅油微乳液溶液中在50℃下超声波振动30min，然后将反应后的共混液进行抽滤，滤饼置于干燥箱中60℃条件下，干燥至恒重；
40.s4、将氨基硅油微乳液改性后的干燥生物基纤维素加入磷酸盐/尿素/去离子水溶液中，搅拌至溶解，所述生物基纤维素/磷酸盐/尿素/去离子水摩尔比为1:0.6:4.9:45；
41.s5、将氨基硅油微乳液-磷酸盐共混液置于恒温磁力搅拌器中，恒温水浴温度设置为80℃，进行30min磷酸化改性，如图3所示；
42.s6、对磷酸化改性后的共混液进行抽滤，滤饼于干燥箱80℃条件下，干燥至恒重；
43.s7、将干燥后的氨基硅油微乳液-磷酸化生物基纤维素用去离子水洗涤数次，以去除未反应附着的试剂；
44.s8、将洗涤后的纤维素重新分散到去离子水中，并使用0.1m氢氧化钠溶液调节溶液ph值至9.5；
45.s9、将滴定后的共混液进行抽滤，滤饼于干燥箱中60℃条件下，干燥至恒重，即可得到生物基阻燃纤维素。
46.图4本实施例改性前后生物基纤维素红外光谱图
47.如图4所示，磷酸化纤维素和氨基硅油微乳液-磷酸化纤维素在波数846、896、1215cm-1
处均有p-o-c、p-o-h、p＝o特征峰，表明了磷酸基团成功引入到纤维素表面；氨基硅油微乳液-磷酸化纤维素在波数797、1260cm-1
处是si-c、si-ch3特征峰，表明氨基硅油微乳液分子成功吸附到纤维素表面；在波数1640cm-1
处是c＝o特征峰；在波数3330cm-1
处是o-h特征峰。
48.图5和图6本实施例改性前后生物基纤维素热重分析图
49.如图5和图6所示，磷酸化后的纤维素在热失重10％时的温度均低于未改性纤维素，在热失重50％时的温度均高于未改性纤维素，这说明磷酸化改性可以催化生物基纤维素早期脱水，促进热稳定性的炭结构的形成；在360℃附近，热失重达50％以上，此时改性后纤维素的最大失重率低于未改性的；当分解温度达到700℃时，氨基硅油微乳液-磷酸化纤维素的残炭量达到25.01％，为未改性的4.4倍。
50.图7本实施例改性前后生物基纤维素接触角图
51.如图7所示，未改性纤维素接触角为42
°
，呈明显的亲水性，经氨基硅油微乳液和磷酸盐改性的纤维素接触角增大到69
°
，表面了氨基硅油微乳液可以提高纤维素表面的疏水性，增强与聚合物之间的界面结合力。
52.本发明生物基纤维素原材料来源广，价格低廉，合成工艺简单可控，具有大规模生产可行性；生物基纤维素的合成全过程以及阻燃剂燃烧过程中，无有毒气体释放，符合绿色环保发展的理念。
53.本发明在超声波的作用下使得生物基纤维素在氨基硅油微乳液容易中分散更加
均匀，同时促进氨基硅油微乳液分子更好的吸附到生物基纤维素表面；“氨基硅油微乳液+磷酸盐”复合改性生物基纤维素，可以在生物基纤维素表面形成“氨基硅油微乳液保护膜+磷酸基团”双重覆盖层，使其具有优异的阻燃性能；
54.本发明制备的环保型生物基阻燃纤维素，在高温条件下释放磷酸，释放的磷酸催化生物基纤维素链的脱水，在其表面形成致密的热稳定炭层，抑制生物基纤维素的进一步燃烧，提高纤维的残余质量，进而使其具有阻燃、防火的保护性能。
55.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：s1、取定量氨基硅油微乳液溶液于烧杯中，在常温下，用去离子水稀释十倍；s2、取纤维素加入步骤s1溶液中，并将烧杯置于超声波振动仪中进行氨基硅油微乳液改性，期间需不断搅拌溶液；s3、将反应后的共混液进行抽滤，滤饼于干燥箱中60℃条件下，干燥至恒重；s4、将步骤s3干燥的滤饼加入磷酸盐/尿素/去离子水溶液中，搅拌至溶解；s5、将步骤s4共混液置于恒温磁力搅拌器中进行磷酸化改性；s6、对步骤s5反应后的共混液进行抽滤，滤饼于干燥箱80℃条件下，干燥至恒重；s7、将步骤s6干燥后的滤饼用去离子水洗涤数次，以去除未反应附着的试剂；s8、将步骤s7洗涤后的纤维素重新分散到去离子水中，并使用氢氧化钠溶液调节ph值；s9、将步骤s8的滴定共混液进行抽滤，滤饼于干燥箱中60℃条件下，干燥至恒重，即可得到生物基阻燃纤维素。2.根据权利要求1所述的一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，其特征在于，步骤s2中，纤维素与氨基硅油微乳液溶液质量比2:1。3.根据权利要求1所述的一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，其特征在于，步骤s2中，氨基硅油微乳液于50℃下超声波振动30min改性纤维素。4.根据权利要求1所述的一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，其特征在于，步骤s4中，磷酸盐可为磷酸二氢铵、磷酸氢氨、聚磷酸铵、磷酸中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，其特征在于，步骤s4中，纤维素/磷酸盐/尿素/去离子水摩尔比为1:0.6:4.9:45。6.根据权利要求1所述的一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，其特征在于，步骤s5中，恒温水浴温度设为80℃，改性时间为30min。7.根据权利要求1所述的一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，其特征在于，步骤s8中，使用0.1m氢氧化钠溶液将其ph值调节至9.5。8.一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，其特征在于，采用权利要求1-7所述的环保型生物基阻燃纤维素的制备工艺制备而成。

技术总结
本发明提供了一种环保型生物基阻燃纤维素及其制备工艺，包括如下步骤：取定量氨基硅油微乳液溶液于烧杯中，纤维素加入溶液中，置于超声波振动仪中进行氨基硅油微乳液改性；反应后的共混液进行抽滤干燥至恒重；干燥的滤饼加入磷酸盐/尿素/去离子水溶液中；共混液置于恒温磁力搅拌器中进行磷酸化改性；反应后的共混液进行抽滤干燥至恒重；干燥后的滤饼用去离子水洗涤数次；洗涤后的纤维素重新分散到去离子水中；滴定共混液进行抽滤干燥至恒重，即可得到生物基阻燃纤维素。本发明制备的阻燃纤维素，释放的磷酸催化生物基纤维素链的脱水，在其表面形成致密的热稳定炭层，抑制生物基纤维素的进一步燃烧，进而使其具有阻燃、防火的保护性能。护性能。护性能。


技术研发人员：徐世伟 袁泉 何莉萍 秦云
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/9/9