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MF纤维在阻燃空气滤纸中的应用

  • 乔辉 1
  • 梁云 1,2
  • 徐桂龙 1,2
  • 曾靖山 1,2
  • 胡健 1,2
1. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640； 2. 华南理工大学造纸与污染控制国家工程研究中心，广东广州，510640

中图分类号： TS761.2

最近更新：2019-12-24

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.12.003

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摘要

首次利用三聚氰胺甲醛树脂（MF）纤维与植物纤维配抄，经含磷丙烯酸酯乳液增强后制备得到阻燃性能优异且具有耐水洗性能的阻燃空气滤纸，详细探讨了MF纤维用量对滤纸综合性能和阻燃性能的影响。结果表明，MF纤维与植物纤维配抄得到的阻燃空气原纸匀度优良，随着MF纤维用量的增加，原纸的厚度、透气度和孔径均有所增大，而耐破度及抗张强度轻微降低。经含磷丙烯酸酯乳液增强后，阻燃空气滤纸的性能呈现同样的变化趋势，但强度性能大大改善。当MF纤维用量为30%时，含磷丙烯酸酯乳液增强后制备的阻燃空气滤纸可通过GB/T 14656—2009燃烧测试，阻燃空气滤纸炭化长度仅为8.3 cm，并具有优良的耐水洗性能，水洗后阻燃空气滤纸炭化长度为11.2 cm。

空气过滤纸是汽车发动机空气滤清器的核心材料，其作用是滤除空气中灰尘、砂粒，减少对缸体的摩擦损耗，保证气缸中进入足量、清洁的空气。然而，当发动机发生“回火”或吸入高温颗粒时，可能会引起纸质滤芯燃烧，导致汽车自燃，造成安全事故。因此，研发高效阻燃且环保的空气过滤纸是这一领域的重要研究方向[

1]。德国Gessner、美国HV、韩国奥斯龙等公司都早已推出了阻燃性能优异的阻燃空气滤纸[2]。国内也有少数厂家生产出了相应产品，但国内产品的应用性能与进口产品还有很大差距，这主要是由于国内阻燃空气滤纸是由过滤原纸涂布增强树脂与亲水性阻燃剂后烘干制得的[3,4,5]，这种外加阻燃剂的方法存在以下问题：首先，阻燃剂添加量较大时才能达到良好的阻燃效果，这必定会对空气滤纸的过滤性能带来负面影响；其次，该方法制备的阻燃纸一般不耐水洗，导致产品无法满足某些应用需要；另外，亲水性或水溶性的阻燃剂还会导致阻燃空气滤纸产品吸湿率的上升，严重影响滤纸的应用性能。国外的产品是将阻燃元素引入到聚合物分子链中得到具有阻燃性能的增强树脂，这样增强树脂可以同时赋予滤纸优良的强度性能和阻燃性能，且不会对滤材的过滤性能造成负面影响，制备得到的产品具有优良的耐水性和抗潮性能。由于国外这些公司的技术封锁，公开的报道中未能查到其阻燃增强树脂的制备方法。本研究团队在前期的工作中尝试将磷、氮阻燃元素引入环氧树脂乳液或丙烯酸树脂乳液等体系[6,7]，成功制备了具有优良阻燃性能的树脂。将其作为阻燃空气滤纸的增强树脂，可以赋予滤纸优良的强度性能和一定的阻燃性能，但其阻燃性能尚未达到应用要求。因此需要通过其他方法来进一步提高阻燃空气滤纸的阻燃性能。

纤维是滤纸最重要的组成原料，也有很多报道通过添加部分耐火、耐高温纤维来提高滤纸的阻燃性能[

8]，如芳纶纤维、聚苯硫醚纤维、聚对苯撑苯并二唑纤维、聚酰亚胺纤维等。这些纤维能够一定程度提升滤纸的阻燃性能，但效果并不明显，且成本非常高。因此，寻找到一种新的功能纤维作为滤纸纤维组分之一，既能明显提升滤纸的阻燃性能，同时又具有工业化可行性，是一种重要的发展方向。三聚氰胺甲醛树脂（MF）纤维是由三聚氰胺甲醛树脂经纺丝制成的纤维，所以又称为三聚氰胺甲醛树脂纤维。它是一种新型无卤素阻燃纤维，氮含量高，在高温下炭化基本无毒气产生，发烟量也很小，其价格远远低于上述几种高性能纤维，在阻燃织物、隔热及耐高温过滤材料等领域具有广泛应用前景[9]。

目前，还未有将MF纤维应用于阻燃空气滤纸制备的研究报道，本课题尝试将MF纤维作为纤维原料组分之一应用于制备阻燃空气滤纸。通过将MF纤维与植物纤维配抄，然后以含磷丙烯酸酯乳液作为增强树脂，制备得到阻燃效果良好且耐水洗的阻燃空气滤纸，并详细研究了MF纤维用量对空气滤纸基本性能以及树脂增强后滤纸阻燃性能的影响。

1 实　验

1.1　实验原料

MF纤维，四川金象赛瑞化工股份有限公司（纤维长度6 mm，纤维直径15~18 μm）；针叶木闪急浆，上海爱林纸业有限公司（纤维长度3~9 mm，纤维直径20~35 μm）；聚酰胺聚胺（PAE），泰安市陶氏化学有限公司；含磷丙烯酸酯乳液，自制；三聚氰胺甲醛树脂，氰特化工（上海）有限公司。

1.2　MF纤维空气滤纸原纸的制备

本实验采用标准纸页成型器制备手抄片并风干，定量为100 g/m2。手抄片按照国家标准GB/T 24324—2009制备，湿强剂PAE用量为纤维质量的1.0%。空气滤纸原纸（以下简称原纸）配比如表1所示。

表1 原纸配比表%
试样ABCDE
针叶木浆纤维 100 90 80 70 60
MF纤维 0 10 20 30 40

1.3　阻燃空气滤纸的制备

含磷丙烯酸酯乳液按照文献[

6]的方法制备并调整树脂的理论玻璃化转变温度为45℃，制备得到的乳液磷元素理论含量约5.82%。将制备的含磷丙烯酸酯乳液用氨水调节pH值6左右，与交联剂三聚氰胺甲醛树脂按照95∶5的比例进行复配。然后将抄造的原纸浸渍于稀释到合适浓度复配后的含磷丙烯酸酯乳液中，3 min后取出（控制树脂的上胶量为滤纸原纸的（25±1）%以内），放置于100℃恒温鼓风烘箱中烘干，然后在150℃烘箱中固化10 min制备得到阻燃空气滤纸（以下简称阻燃滤纸）。

1.4　测试和表征

扫描电子显微镜（SEM）分析：采用飞纳Phenom G2 pro扫描电子显微镜（飞纳科学仪器（上海）有限公司）观察滤纸的微观形貌。

纸张性能的检测均在国家恒温恒湿标准（GB/T 10739—1989）的条件下进行，标准大气条件为：温度(23±1)℃，相对湿度(50±2)%。厚度采用YG142手提式测厚仪按照GB/T 451.3—2002进行测量。匀度采用尘埃匀度测试仪（德国Techpap公司，型号2D LABF/SENSOR）进行测试。抗张强度的测定参照GB/T 12914—2018采用L&W抗张强度仪（瑞典L&W公司，型号CE062）进行测试；耐破度的测定参照GB/T 454—2002采用L&W耐破度测定仪（瑞典L&W公司，型号CE180）进行测试；挺度的测定参照GB/T 22364—2018采用弯曲挺度测定仪（美国TMI公司，型号79-25-00-002）进行测试；透气度按照国际标准EN ISO 9. 237采用 FX 3300-IV 瑞士透气度仪测量。

孔径采用美国 PMI CFP-1100-A 毛细流量孔径测试仪对纸张的平均孔径、最大孔径及孔径分布进行测定。

阻燃滤纸的阻燃性能按照GB/T 14656—2009，采用阻燃纸和纸板燃烧试验仪（南京宏达试验仪器应用研究所，型号ZBY-1）进行阻燃测试。

2 结果与讨论

2.1　MF纤维用量对原纸基本性能的影响

表2为MF纤维用量对原纸基本性能的影响。从表2可以看出，随着MF纤维用量的增加，原纸的透气度和厚度逐渐增加，而耐破度和抗张强度稍有下降。相比于未添加MF纤维的纸张，当MF纤维用量为30%时，原纸的平均孔径增加了47.5%，而抗张强度只降低了14.2%。这是因为植物纤维为扁平状，纤维之间结合的紧度较大，而MF纤维为圆柱状，纤维搭建的结构较为疏松且纤维之间接触面积较小[

10,11,12]。因此，随着原纸中MF纤维用量的增加，原纸的厚度增大，孔隙率和孔径增加，从而使得透气度增加。同时由于圆柱状MF纤维之间以及MF纤维与植物纤维之间的交织作用均没有扁平植物纤维之间的作用大，因此纤维间的结合强度随MF纤维的增多而出现轻微下降的现象。当MF纤维用量超过30%时，原纸的强度性能下降趋势明显上升。

表2 MF纤维用量对原纸基本性能的影响
试样MF纤维用量/%厚度/μm

透气度

/mm·s-1

耐破度

/kPa

抗张强度

/N·m-1

平均孔径

/μm
A 0 335 297 92 424 11.65
B 10 341 334 90 397 12.64
C 20 357 367 87 376 15.89
D 30 362 402 84 364 17.18
E 40 370 412 78 310 19.26

2.2　MF纤维用量对原纸匀度性能的影响

纸张匀度体现的是纤维及填料等在纸张中交织分布的均一度，是纸张的重要物理性能。本实验测试了不同MF纤维用量原纸的匀度性能，结果如表3所示。从表3可以看出，不同MF纤维用量的原纸均具有良好的匀度，且匀度基本一致。这是由于一方面MF纤维本身表面亲水性较好，同时MF纤维的长径比较植物纤维小，因此具有较好的水分散性能；另一方面MF纤维较为笔直且表面光滑，无凸起或者凹陷，纤维之间摩擦力较小，在抄纸过程没有发生絮聚现象。因此，在纸张的抄造过程中添加不同用量的MF纤维均可得到匀度性能优良的原纸。

表3 MF纤维用量对原纸匀度性能的影响
试样MF纤维用量/%匀度指数
A 0 50.9
B 10 47.9
C 20 48.5
D 30 49.3

2.3　不同MF纤维用量阻燃滤纸的微观形貌

采用SEM进一步观察不同MF纤维用量阻燃滤纸的微观形貌，结果如图1所示。从图1可以看出，MF纤维基本以单根的形式分布于阻燃滤纸结构中，无絮聚或成团的现象发生，且MF纤维分散均匀，与植物纤维交织状况良好，因此制备的阻燃滤纸孔隙结构丰富且均匀；从截面形貌可以看出，MF纤维在整个阻燃滤纸Y轴方向也呈现均匀分布的状态，进一步说明阻燃滤纸具有良好的匀度性能。

A1

A2

A3

B1

B2

B3

C1

C2

C3

注 MF纤维用量A：0；B：10%；C：20%；D：30%。从左到右依次为放大300倍的表面形貌、放大500倍的表面形貌以及放大500倍的截面形貌。框内所示为MF纤维在阻燃滤纸中的交织情况。

D1

图1 不同MF纤维用量阻燃滤纸的微观形貌

2.4　MF纤维用量对阻燃滤纸基本性能的影响

将制备的含磷丙烯酸酯乳液应用于不同MF纤维用量阻燃滤纸的增强，研究了滤纸的性能，结果如表4所示。从表4可以看出，经过含磷丙烯酸酯乳液增强后，随着MF纤维用量的增加，阻燃滤纸的耐破度、抗张强度逐渐降低，透气度增加其变化趋势与原纸保持一致。而挺度随着MF用量的增大而增大，这是由于阻燃滤纸的厚度逐渐增大导致[

13]。但是阻燃滤纸的各项强度性能远远高于原纸，可以满足产品的加工应用需求；相比原纸，阻燃滤纸的透气度稍有下降，原因是树脂在干燥成膜过程会堵塞小部分阻燃滤纸的孔隙结构，但阻燃滤纸的透气度下降幅度较小，不会对过滤性能造成负面影响。

表4 MF纤维用量对阻燃滤纸基本性能的影响
试样MF纤维用量/%定量/g·m-2 挺度/mN耐破度/kPa抗张强度/kN·m-1 透气度/mm·s-1
A 0 125.3 68 237 1.84 259
B 10 125.9 70 220 1.78 294
C 20 124.3 72 211 1.69 331
D 30 125.1 75 202 1.62 380

2.5　MF纤维用量对阻燃滤纸阻燃性能的影响

为测试阻燃滤纸的阻燃性能以及其耐水洗性能，对浸水前后经含磷丙烯酸酯乳液增强的不同MF纤维用量阻燃滤纸进行阻燃测试，每个样品测试3次，测试结果如表5所示。从表5可以看出，随着MF纤维用量的增大，经含磷丙烯酸酯乳液增强后的阻燃滤纸阻燃性能逐渐提高，当MF纤维用量为30%时，阻燃滤纸的阻燃性能可以通过GB/T 14656—2009测试标准，阻燃滤纸炭化长度仅有8.3 cm，并具有优良的耐水洗性能，水洗后阻燃滤纸的炭化长度为11.2 cm。而经过纯丙烯酸酯乳液增强的阻燃滤纸，即便MF纤维用量达到40%，也无法通过GB/T 14656—2009阻燃测试标准，说明具有阻燃功能的含磷丙烯酸酯乳液与MF纤维共同作用，可以明显提升阻燃滤纸的阻燃性能。经过水洗后的阻燃滤纸阻燃性能轻微下降，这是由于经过中和后含磷丙烯酸酯乳液含有少量的副产物磷酸盐[

7]，滤纸样品在浸水过程中，少量的磷酸盐被溶解，导致阻燃滤纸的阻燃性能出现轻微的下降，但产品仍能通过阻燃测试标准，说明其阻燃性能具备优异的耐水洗效果。

表5 MF纤维用量对阻燃滤纸阻燃性能的影响

MF纤维

用量/%

水洗前水洗后

阻燃测试

结果

炭化长度/cm

阻燃测试

结果

炭化长度/cm
0 不通过 样条全燃 不通过 样条全燃
10 不通过 样条全燃 不通过 样条全燃
20 不通过 16.4 不通过 18.7
30 通过 8.3 通过 11.2
30* 不通过 样条全燃 不通过 样条全燃
40* 不通过 样条全燃 不通过 样条全燃
注：

30*和40*分别表示MF纤维用量为30%与40%的阻燃滤纸经过纯丙烯酸酯乳液增强后进行阻燃性能测试。

3 结 论

本课题将三聚氰胺甲醛树脂（MF）纤维与针叶木浆纤维配抄，经含磷丙烯酸酯乳液增强后可以制备得到具有优良阻燃性能且耐水洗的阻燃空气滤纸。

3.1　空气滤纸原纸中添加不同用量的MF纤维后均具有优良的匀度性能，随着MF纤维用量的增加，空气滤纸原纸透气度、厚度均有所增大，而耐破度及抗张强度随之降低。相比于未添加MF纤维的纸张，当MF纤维用量为30%时，空气滤纸原纸的平均孔径增加了47.5%，而抗张强度只降低了14.2%，经含磷丙烯酸酯乳液增强后的阻燃空气滤纸性能呈现相同的趋势。

3.2　在具有阻燃作用的含磷丙烯酸酯乳液和含氮的MF纤维共同作用下，当MF纤维用量为30%时，所制备的阻燃空气滤纸阻燃性能可以通过GB/T 14656—2009测试标准，炭化长度仅有8.3 cm，并具有优良的耐水洗性能，水洗后阻燃空气滤纸的炭化长度为11.2 cm。

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