MF纖維在阻燃空氣濾紙中的應(yīng)用

空氣過(guò)濾紙是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)缸體的摩擦損耗，保證氣缸中進(jìn)入足量、清潔的空氣。然而，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生“回火”或吸入高溫顆粒時(shí)，可能會(huì)引起紙質(zhì)濾芯燃燒，導(dǎo)致汽車自燃，造成安全事故。因此，研發(fā)高效阻燃且環(huán)保的空氣過(guò)濾紙是這一領(lǐng)域的重要研究方向[1]。德國(guó)Gessner、美國(guó)HV、韓國(guó)奧斯龍等公司都早已推出了阻燃性能優(yōu)異的阻燃空氣濾紙[2]。國(guó)內(nèi)也有少數(shù)廠家生產(chǎn)出了相應(yīng)產(chǎn)品，但國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的應(yīng)用性能與進(jìn)口產(chǎn)品還有很大差距，這主要是由于國(guó)內(nèi)阻燃空氣濾紙是由過(guò)濾原紙涂布增強(qiáng)樹(shù)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(wèn)題：首先，阻燃劑添加量較大時(shí)才能達(dá)到良好的阻燃效果，這必定會(huì)對(duì)空氣濾紙的過(guò)濾性能帶來(lái)負(fù)面影響；其次，該方法制備的阻燃紙一般不耐水洗，導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法滿足某些應(yīng)用需要；另外，親水性或水溶性的阻燃劑還會(huì)導(dǎo)致阻燃空氣濾紙產(chǎn)品吸濕率的上升，嚴(yán)重影響濾紙的應(yīng)用性能。國(guó)外的產(chǎn)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(qiáng)樹(shù)脂，這樣增強(qiáng)樹(shù)脂可以同時(shí)賦予濾紙優(yōu)良的強(qiáng)度性能和阻燃性能，且不會(huì)對(duì)濾材的過(guò)濾性能造成負(fù)面影響，制備得到的產(chǎn)品具有優(yōu)良的耐水性和抗潮性能。由于國(guó)外這些公司的技術(shù)封鎖，公開(kāi)的報(bào)道中未能查到其阻燃增強(qiáng)樹(shù)脂的制備方法。本研究團(tuán)隊(duì)在前期的工作中嘗試將磷、氮阻燃元素引入環(huán)氧樹(shù)脂乳液或丙烯酸樹(shù)脂乳液等體系[6-7]，成功制備了具有優(yōu)良阻燃性能的樹(shù)脂。將其作為阻燃空氣濾紙的增強(qiáng)樹(shù)脂，可以賦予濾紙優(yōu)良的強(qiáng)度性能和一定的阻燃性能，但其阻燃性能尚未達(dá)到應(yīng)用要求。因此需要通過(guò)其他方法來(lái)進(jìn)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(bào)道通過(guò)添加部分耐火、耐高溫纖維來(lái)提高濾紙的阻燃性能[8]，如芳綸纖維、聚苯硫醚纖維、聚對(duì)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(shí)又具有工業(yè)化可行性，是一種重要的發(fā)展方向。三聚氰胺甲醛樹(shù)脂（MF）纖維是由三聚氰胺甲醛樹(shù)脂經(jīng)紡絲制成的纖維，所以又稱為三聚氰胺甲醛樹(shù)脂纖維。它是一種新型無(wú)鹵素阻燃纖維，氮含量高，在高溫下炭化基本無(wú)毒氣產(chǎn)生，發(fā)煙量也很小，其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述幾種高性能纖維，在阻燃織物、隔熱及耐高溫過(guò)濾材料等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景[9]。

目前，還未有將MF纖維應(yīng)用于阻燃空氣濾紙制備的研究報(bào)道，本課題嘗試將MF纖維作為纖維原料組分之一應(yīng)用于制備阻燃空氣濾紙。通過(guò)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(qiáng)樹(shù)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(xì)研究了MF纖維用量對(duì)空氣濾紙基本性能以及樹(shù)脂增強(qiáng)后濾紙阻燃性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料

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

1.2MF纖維空氣濾紙?jiān)埖闹苽?/strong>

本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)紙頁(yè)成型器制備手抄片并風(fēng)干，定量為100g/m2。手抄片按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24324—2009制備，濕強(qiáng)劑PAE用量為纖維質(zhì)量的1.0%?？諝鉃V紙?jiān)垼ㄒ韵潞?jiǎn)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(xiàn)[6]的方法制備并調(diào)整樹(shù)脂的理論玻璃化轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)pH值6左右，與交聯(lián)劑三聚氰胺甲醛樹(shù)脂按照95∶5的比例進(jìn)行復(fù)配。然后將抄造的原紙浸漬于稀釋到合適濃度復(fù)配后的含磷丙烯酸酯乳液中，3min后取出（控制樹(shù)脂的上膠量為濾紙?jiān)埖模?5±1）%以內(nèi)），放置于100℃恒溫鼓風(fēng)烘箱中烘干，然后在150℃烘箱中固化10min制備得到阻燃空氣濾紙（以下簡(jiǎn)稱阻燃濾紙）。

1.4測(cè)試和表征

掃描電子顯微鏡（SEM）分析：采用飛納Phe?nomG2pro掃描電子顯微鏡（飛納科學(xué)儀器（上海）有限公司）觀察濾紙的微觀形貌。

紙張性能的檢測(cè)均在國(guó)家恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)（GB/T10739—1989）的條件下進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)大氣條件為：溫度(23±1)℃，相對(duì)濕度(50±2)%。厚度采用YG142手提式測(cè)厚儀按照GB/T451.3—2002進(jìn)行測(cè)量。勻度采用塵埃勻度測(cè)試儀（德國(guó)Techpap公司，型號(hào)2DLABF/SENSOR）進(jìn)行測(cè)試?？箯垙?qiáng)度的測(cè)定參照GB/T12914—2018采用L&W抗張強(qiáng)度儀（瑞典L&W公司，型號(hào)CE062）進(jìn)行測(cè)試；耐破度的測(cè)定參照GB/T454—2002采用L&W耐破度測(cè)定儀（瑞典L&W公司，型號(hào)CE180）進(jìn)行測(cè)試；挺度的測(cè)定參照GB/T22364—2018采用彎曲挺度測(cè)定儀（美國(guó)TMI公司，型號(hào)79-25-00-002）進(jìn)行測(cè)試；透氣度按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ENISO9.237采用FX3300-IV瑞士透氣度儀測(cè)量。

孔徑采用美國(guó)PMICFP-1100-A毛細(xì)流量孔徑測(cè)試儀對(duì)紙張的平均孔徑、最大孔徑及孔徑分布進(jìn)行測(cè)定。

阻燃濾紙的阻燃性能按照GB/T14656—2009，采用阻燃紙和紙板燃燒試驗(yàn)儀（南京宏達(dá)試驗(yàn)儀器應(yīng)用研究所，型號(hào)ZBY-1）進(jìn)行阻燃測(cè)試。

2結(jié)果與討論

2.1MF纖維用量對(duì)原紙基本性能的影響

表2為MF纖維用量對(duì)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(qiáng)度稍有下降。相比于未添加MF纖維的紙張，當(dāng)MF纖維用量為30%時(shí)，原紙的平均孔徑增加了47.5%，而抗張強(qiáng)度只降低了14.2%。這是因?yàn)橹参锢w維為扁平狀，纖維之間結(jié)合的緊度較大，而MF纖維為圓柱狀，纖維搭建的結(jié)構(gòu)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(shí)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(méi)有扁平植物纖維之間的作用大，因此纖維間的結(jié)合強(qiáng)度隨MF纖維的增多而出現(xiàn)輕微下降的現(xiàn)象。當(dāng)MF纖維用量超過(guò)30%時(shí)，原紙的強(qiáng)度性能下降趨勢(shì)明顯上升。

2.2MF纖維用量對(duì)原紙勻度性能的影響

紙張勻度體現(xiàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同MF纖維用量原紙的勻度性能，結(jié)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(shí)MF纖維的長(zhǎng)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(wú)凸起或者凹陷，纖維之間摩擦力較小，在抄紙過(guò)程沒(méi)有發(fā)生絮聚現(xiàn)象。因此，在紙張的抄造過(guò)程中添加不同用量的MF纖維均可得到勻度性能優(yōu)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(jìn)一步觀察不同MF纖維用量阻燃濾紙的微觀形貌，結(jié)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(jié)構(gòu)中，無(wú)絮聚或成團(tuán)的現(xiàn)象發(fā)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(jié)構(gòu)豐富且均勻；從截面形貌可以看出，MF纖維在整個(gè)阻燃濾紙Y軸方向也呈現(xiàn)均勻分布的狀態(tài)，進(jìn)一步說(shuō)明阻燃濾紙具有良好的勻度性能。

2.4MF纖維用量對(duì)阻燃濾紙基本性能的影響

將制備的含磷丙烯酸酯乳液應(yīng)用于不同MF纖維用量阻燃濾紙的增強(qiáng)，研究了濾紙的性能，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，經(jīng)過(guò)含磷丙烯酸酯乳液增強(qiáng)后，隨著MF纖維用量的增加，阻燃濾紙的耐破度、抗張強(qiáng)度逐漸降低，透氣度增加其變化趨勢(shì)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(dǎo)致[13]。但是阻燃濾紙的各項(xiàng)強(qiáng)度性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原紙，可以滿足產(chǎn)品的加工應(yīng)用需求；相比原紙，阻燃濾紙的透氣度稍有下降，原因是樹(shù)脂在干燥成膜過(guò)程會(huì)堵塞小部分阻燃濾紙的孔隙結(jié)構(gòu)，但阻燃濾紙的透氣度下降幅度較小，不會(huì)對(duì)過(guò)濾性能造成負(fù)面影響。

2.5MF纖維用量對(duì)阻燃濾紙阻燃性能的影響

為測(cè)試阻燃濾紙的阻燃性能以及其耐水洗性能，對(duì)浸水前后經(jīng)含磷丙烯酸酯乳液增強(qiáng)的不同MF纖維用量阻燃濾紙進(jìn)行阻燃測(cè)試，每個(gè)樣品測(cè)試3次，測(cè)試結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，隨著MF纖維用量的增大，經(jīng)含磷丙烯酸酯乳液增強(qiáng)后的阻燃濾紙阻燃性能逐漸提高，當(dāng)MF纖維用量為30%時(shí)，阻燃濾紙的阻燃性能可以通過(guò)GB/T14656—2009測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，阻燃濾紙?zhí)炕L(zhǎng)度僅有8.3cm，并具有優(yōu)良的耐水洗性能，水洗后阻燃濾紙的炭化長(zhǎng)度為11.2cm。而經(jīng)過(guò)純丙烯酸酯乳液增強(qiáng)的阻燃濾紙，即便MF纖維用量達(dá)到40%，也無(wú)法通過(guò)GB/T14656—2009阻燃測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)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(jīng)過(guò)水洗后的阻燃濾紙阻燃性能輕微下降，這是由于經(jīng)過(guò)中和后含磷丙烯酸酯乳液含有少量的副產(chǎn)物磷酸鹽[7]，濾紙樣品在浸水過(guò)程中，少量的磷酸鹽被溶解，導(dǎo)致阻燃濾紙的阻燃性能出現(xiàn)輕微的下降，但產(chǎn)品仍能通過(guò)阻燃測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明其阻燃性能具備優(yōu)異的耐水洗效果。

3結(jié)論

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

3.1空氣濾紙?jiān)堉刑砑硬煌昧康腗F纖維后均具有優(yōu)良的勻度性能，隨著MF纖維用量的增加，空氣濾紙?jiān)埻笟舛?、厚度均有所增大，而耐破度及抗張?qiáng)度隨之降低。相比于未添加MF纖維的紙張，當(dāng)MF纖維用量為30%時(shí)，空氣濾紙?jiān)埖钠骄讖皆黾恿?7.5%，而抗張強(qiáng)度只降低了14.2%，經(jīng)含磷丙烯酸酯乳液增強(qiáng)后的阻燃空氣濾紙性能呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。

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(dāng)MF纖維用量為30%時(shí)，所制備的阻燃空氣濾紙阻燃性能可以通過(guò)GB/T14656—2009測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，炭化長(zhǎng)度僅有8.3cm，并具有優(yōu)良的耐水洗性能，水洗后阻燃空氣濾紙的炭化長(zhǎng)度為11.2cm。

來(lái)源：《中國(guó)造紙》：http://www.00559.cn/w/zw/24523.html