MF纖維在阻燃空氣濾紙中的應用

喬輝 梁云 徐桂龍 曾靖山 胡健

摘要：首次利用三聚氰胺甲醛樹脂（MF）纖維與植物纖維配抄，經含磷丙烯酸酯乳液增強后制備得到阻燃性能優異且具有耐水洗性能的阻燃空氣濾紙，詳細探討了MF纖維用量對濾紙綜合性能和阻燃性能的影響，結果表明，MF纖維與植物纖維配抄得到的阻燃空氣原紙勻度優良，隨著MF纖維用量的增加，原紙的厚度、透氣度和孔徑均有所增大，而耐破度及抗張強度輕微降低。經含磷丙烯酸酯乳液增強后，阻燃空氣濾紙的性能呈現同樣的變化趨勢，但強度性能大大改善。當MF纖維用量為30%時，含磷丙烯酸酯乳液增強后制備的阻燃空氣濾紙可通過GB/T 14656-2009燃燒測試，阻燃空氣濾紙炭化長度僅為8.3 cm，并具有優良的耐水洗性能，水洗后阻燃空氣濾紙炭化長度為11.2 cm。

關鍵詞：MF纖維;空氣濾紙;阻燃性能

中圖分類號：TS761.2

文獻標識碼：A

DOI： 10. 11980/j.issn.0254-508X.2019. 12. 003

空氣過濾紙是汽車發動機空氣濾清器的核心材料，其作用是濾除空氣中灰塵、砂粒，減少對缸體的摩擦損耗，保證氣缸中進入足量、清潔的空氣。然而，當發動機發生“回火”或吸入高溫顆粒時，可能會引起紙質濾芯燃燒，導致汽車自燃，造成安全事故。因此，研發高效阻燃且環保的空氣過濾紙是這一領域的重要研究方向[1]。德國Gessner、美國HV、韓國奧斯龍等公司都早已推出了阻燃性能優異的阻燃空氣濾紙[2]。國內也有少數廠家生產出了相應產品，但國內產品的應用性能與進口產品還有很大差距，這主要是由于國內阻燃空氣濾紙是由過濾原紙涂布增強樹脂與親水性阻燃劑后烘干制得的[3-5]，這種外加阻燃劑的方法存在以下問題：首先，阻燃劑添加量較大時才能達到良好的阻燃效果，這必定會對空氣濾紙的過濾性能帶來負面影響;其次，該方法制備的阻燃紙一般不耐水洗，導致產品無法滿足某些應用需要;另外，親水性或水溶性的阻燃劑還會導致阻燃空氣濾紙產品吸濕率的上升，嚴重影響濾紙的應用性能。國外的產品是將阻燃元素引入到聚合物分子鏈中得到具有阻燃性能的增強樹脂，這樣增強樹脂可以同時賦予濾紙優良的強度性能和阻燃性能，且不會對濾材的過濾性能造成負面影響，制備得到的產品具有優良的耐水性和抗潮性能。由于國外這些公司的技術封鎖，公開的報道中未能查到其阻燃增強樹脂的制備方法。本研究網隊在前期的工作中嘗試將磷、氮阻燃元素引入環氧樹脂乳液或丙烯酸樹脂乳液等體系[6，7]，成功制備了具有優良阻燃性能的樹脂。將其作為阻燃空氣濾紙的增強樹脂，可以賦予濾紙優良的強度性能和一定的阻燃性能，但其阻燃性能尚未達到應用要求。因此需要通過其他方法來進一步提高阻燃空氣濾紙的阻燃性能。

纖維是濾紙最重要的組成原料，也有很多報道通過添加部分耐火、耐高溫纖維來提高濾紙的阻燃性能[8]，如芳綸纖維、聚苯硫醚纖維、聚對苯撐苯并二唑纖維、聚酰亞胺纖維等。這些纖維能夠一定程度提升濾紙的阻燃性能，但效果并不明顯，且成本非常高。因此，尋找到一種新的功能纖維作為濾紙纖維組分之一，既能明顯提升濾紙的阻燃性能，同時又具有工業化可行性，是一種重要的發展方向。三聚氰胺甲醛樹脂（MF）纖維是由三聚氰胺甲醛樹脂經紡絲制成的纖維，所以又稱為三聚氰胺甲醛樹脂纖維。它是一種新型無鹵素阻燃纖維，氮含量高，在高溫下炭化基本無毒氣產生，發煙量也很小，其價格遠遠低于上述幾種高性能纖維，在阻燃織物、隔熱及耐高溫過濾材料等領域具有廣泛應用前景[9]。

目前，還未有將MF纖維應用于阻燃空氣濾紙制備的研究報道，本課題嘗試將MF纖維作為纖維原料組分之一應用于制備阻燃空氣濾紙。通過將MF纖維與植物纖維配抄，然后以含磷丙烯酸酯乳液作為增強樹脂，制備得到阻燃效果良好且耐水洗的阻燃空氣濾紙，并詳細研究了MF纖維用量對空氣濾紙基本性能以及樹脂增強后濾紙阻燃性能的影響。

1實驗

1.1實驗原料

MF纖維，四川金象賽瑞化工股份有限公司（纖維長度6 mm，纖維直徑15～18 um）;針葉木閃急漿，上海愛林紙業有限公司（纖維長度3—9 mm，纖維直徑20～35 um）;聚酰胺聚胺（PAE），泰安市陶氏化學有限公司;含磷丙烯酸酯乳液，自制;三聚氰胺甲醛樹脂，氰特化工上海）有限公司。

1.2 MF纖維空氣濾紙原紙的制備

本實驗采用標準紙頁成型器制備手抄片并風干，定量為100 g/m2。手抄片按照國家標準GB/T 24324-2009制備，濕強劑PAE用量為纖維質量的1.0%。空氣濾紙原紙（以下簡稱原紙）配比如表1所示。

1.3阻燃空氣濾紙的制備

含磷丙烯酸酯乳液按照文獻[6]的方法制備并調整樹脂的理論玻璃化轉變溫度為45℃，制備得到的乳液磷元素理論含量約5.82%。將制備的含磷丙烯酸酯乳液用氨水調節pH值6左右，與交聯劑三聚氰胺甲醛樹脂按照95：5的比例進行復配。然后將抄造的原紙浸漬于稀釋到合適濃度復配后的含磷丙烯酸酯乳液中，3 min后取出（控制樹脂的上膠量為濾紙原紙的（25±1）%以內），放置于1OO℃恒溫鼓風烘箱中烘干，然后在1500C烘箱中固化10 min制備得到阻燃空氣濾紙（以下簡稱阻燃濾紙）。

1.4測試和表征

掃描電子顯微鏡（SEM）分析：采用飛納Phe-nom G2 pro掃描電子顯微鏡（飛納科學儀器（上海）有限公司）觀察濾紙的微觀形貌。

紙張性能的檢測均在國家恒溫恒濕標準（GB/T 10739-1989）的條件下進行，標準大氣條件為：溫度（23±1）℃，相對濕度（50±2）%。厚度采用YG142手提式測厚儀按照GB/T 451.3-2002進行測量。勻度采用塵埃勻度測試儀（德國Techpap公司，型號2D LABF/SENSOR）進行測試。抗張強度的測定參照GB/T 12914-2018采用L&W抗張強度儀（瑞典L&W公司，型號CE062）進行測試;耐破度的測定參照GB/T 454-2002采用L&W耐破度測定儀（瑞典L&W公司，型號CE180）進行測試;挺度的測定參照GB/T 22364-2018采用彎曲挺度測定儀（美國TMI公司，型號79-25-00-002）進行測試;透氣度按照國際標準EN IS0 9.237采用FX 3300-IV瑞士透氣度儀測量。

孔徑采用美國PMI CFP-1100-A毛細流量孔徑測試儀對紙張的平均孔徑、最大孔徑及孔徑分布進行測定。

阻燃濾紙的阻燃性能按照GB/T 14656-2009，采用阻燃紙和紙板燃燒試驗儀（南京宏達試驗儀器應用研究所，型號ZBY-1）進行阻燃測試。

2結果與討論

2.1 MF纖維用量對原紙基本性能的影響

表2為MF纖維用量對原紙基本性能的影響。從表2可以看出，隨著MF纖維用量的增加，原紙的透氣度和厚度逐漸增加，而耐破度和抗張強度稍有下降。相比于未添加MF纖維的紙張，當MF纖維用量為30%時，原紙的平均孔徑增加了47.5%，而抗張強度只降低了14.2%。這是因為植物纖維為扁平狀，纖維之間結合的緊度較大，而MF纖維為圓柱狀，纖維搭建的結構較為疏松且纖維之間接觸面積較小[10-12]。因此，隨著原紙中MF纖維用量的增加，原紙的厚度增大，孔隙率和孔徑增加，從而使得透氣度增加。同時由于圓柱狀MF纖維之間以及MF纖維與植物纖維之間的交織作用均沒有扁平植物纖維之間的作用大，因此纖維間的結合強度隨MF纖維的增多而出現輕微下降的現象。當MF纖維用量超過30%時，原紙的強度性能下降趨勢明顯上升。

2.2

MF纖維用量對原紙勻度性能的影響

紙張勻度體現的是纖維及填料等在紙張中交織分布的均一度，是紙張的重要物理性能。本實驗測試了不同MF纖維用量原紙的勻度性能，結果如表3所示。從表3可以看出，不同MF纖維用量的原紙均具有良好的勻度，且勻度基本一致。這是由于一方面MF纖維本身表面親水性較好，同時MF纖維的長徑比較植物纖維小，因此具有較好的水分散性能;另一方面MF纖維較為筆直且表面光滑，無凸起或者凹陷，纖維之間摩擦力較小，在抄紙過程沒有發生絮聚現象。因此，在紙張的抄造過程中添加不同用量的MF纖維均可得到勻度性能優良的原紙。

2.3不同MF纖維用量阻燃濾紙的微觀形貌

采用SEM進一步觀察不同MF纖維用量阻燃濾紙的微觀形貌，結果如圖1所示。從圖1可以看出，MF纖維基本以單根的形式分布于阻燃濾紙結構中，無絮聚或成團的現象發生，且MF纖維分散均勻，與植物纖維交織狀況良好，因此制備的阻燃濾紙孔隙結構豐富且均勻;從截面形貌可以看出，MF纖維在整個阻燃濾紙Y軸方向也呈現均勻分布的狀態，進一步說明阻燃濾紙具有良好的勻度性能。

2.4MF纖維用量對阻燃濾紙基本性能的影響

將制備的含磷丙烯酸酯乳液應用于不同MF纖維用量阻燃濾紙的增強，研究了濾紙的性能，結果如表4所示。從表4可以看出，經過含磷丙烯酸酯乳液增強后，隨著MF纖維用量的增加，阻燃濾紙的耐破度、抗張強度逐漸降低，透氣度增加其變化趨勢與原紙保持一致。而挺度隨著MF用量的增大而增大，這是由于阻燃濾紙的厚度逐漸增大導致[13]。但是阻燃濾紙的各項強度性能遠遠高于原紙，可以滿足產品的加工應用需求;相比原紙，阻燃濾紙的透氣度稍有下降，原因是樹脂在干燥成膜過程會堵塞小部分阻燃濾紙的孔隙結構，但阻燃濾紙的透氣度下降幅度較小，不會對過濾性能造成負面影響。

2.5 MF纖維用量對阻燃濾紙阻燃性能的影響

為測試阻燃濾紙的阻燃性能以及其耐水洗性能，對浸水前后經含磷丙烯酸酯乳液增強的不同MF纖維用量阻燃濾紙進行阻燃測試，每個樣品測試3次，測試結果如表5所示。從表5可以看出，隨著MF纖維用量的增大，經含磷丙烯酸酯乳液增強后的阻燃濾紙阻燃性能逐漸提高，當MF纖維用量為30%時，阻燃濾紙的阻燃性能可以通過GB/T 14656-2009測試標準，阻燃濾紙炭化長度僅有8.3 cm，并具有優良的耐水洗性能，水洗后阻燃濾紙的炭化長度為11.2 cm。而經過純丙烯酸酯乳液增強的阻燃濾紙，即便MF纖維用量達到40%，也無法通過GB/T 14656-2009阻燃測試標準，說明具有阻燃功能的含磷丙烯酸酯乳液與MF纖維共同作用，可以明顯提升阻燃濾紙的阻燃性能。經過水洗后的阻燃濾紙阻燃性能輕微下降，這是由于經過中和后含磷丙烯酸酯乳液含有少量的副產物磷酸鹽[7]，濾紙樣品在浸水過程中，少量的磷酸鹽被溶解，導致阻燃濾紙的阻燃性能出現輕微的下降，但產品仍能通過阻燃測試標準，說明其阻燃性能具備優異的耐水洗效果。

3結論

本課題將三聚氰胺甲醛樹脂（MF）纖維與針葉木漿纖維配抄，經含磷丙烯酸酯乳液增強后可以制備得到具有優良阻燃性能且耐水洗的阻燃空氣濾紙。

3.1 空氣濾紙原紙中添加不同用量的MF纖維后均具有優良的勻度性能，隨著MF纖維用量的增加，空氣濾紙原紙透氣度、厚度均有所增大，而耐破度及抗張強度隨之降低。相比于未添加MF纖維的紙張，當MF纖維用量為30%時，空氣濾紙原紙的平均孔徑增加了47.5%，而抗張強度只降低了14.2%，經含磷丙烯酸酯乳液增強后的阻燃空氣濾紙性能呈現相同的趨勢。

3.2在具有阻燃作用的含磷丙烯酸酯乳液和含氮的MF纖維共同作用下，當MF纖維用量為30%時，所制備的阻燃空氣濾紙阻然性能可以通過GB/T 14656-2009測試標準，炭化長度僅有8.3 cm，并具有優良的耐水洗性能，水洗后阻燃空氣濾紙的炭化長度為11.2 cm。

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（責任編輯：黃舉）