Page 113 - 《精细化工》2020年第2期

第 1 期 来水利，等: 微晶纤维素的溶解及其阻燃性能 ·315·

由图 6 可知，原 MCC 呈现规整的束状结构， 表 3 阻燃纤维素复合材料的 LOI、UL-94 测试结果
表面排列紧密光滑。经[CmVIM]Cl/TBAC 体系处理 Table 3 LOI and UL-94 test results of flame-retardant
cellulose composites
后，由图 6c 可见，再生 MCC 结构排列分散，呈不
KH-550/ LOI/ UL-94
规则状。由图 6d 可见，再生 MCC 表面粗糙，说明 样品 MCC/g MP/g APP/g SiO 2/g g % 等级
[CmVIM]Cl/TBAC 体系破坏了 MCC 原有的结晶结 MCC-0 9.5 — — — 0.5 18.1 Ⅴ-1
构，使 MCC 表面呈现凹凸不平状，比表面积增大， MCC-1 9.0 0.5 — — 0.5 22.5 Ⅴ-1
增大了与溶剂的接触面积 [18] 。结果表明，[CmVIM]Cl/ MCC-2 9.0 — 0.5 — 0.5 20.4 Ⅴ-1
TBAC 体系对 MCC 的形貌有较大的影响。 MCC-3 9.0 — — 0.5 0.5 19.3 Ⅴ-1
2.3 [CmVIM]Cl/TBAC 体系溶解 MCC 机理初探 MCC-4 8.5 0.5 0.5 — 0.5 26.1 Ⅴ-1
[CmVIM]Cl/TBAC 体系对 MCC 的溶解过程， MCC-5 8.5 — 0.5 0.5 0.5 26.9 Ⅴ-0
如图 7 所示。 MCC-6 8.5 0.5 — 0.5 0.5 26.6 Ⅴ-1
MCC-7 8.0 0.5 0.5 0.5 0.5 28.7 Ⅴ-0
MCC-8 7.5 1.0 0.5 0.5 0.5 28.9 Ⅴ-0
MCC-9 7.5 0.5 1.0 0.5 0.5 29.5 Ⅴ-0
MCC-10 7.5 0.5 0.5 1.0 0.5 30.4 Ⅴ-0
MCC-11 7.0 1.0 1.0 0.5 0.5 30.7 Ⅴ-0
MCC-12 7.0 0.5 1.0 1.0 0.5 33.5 Ⅴ-0
MCC-13 7.0 1.0 0.5 1.0 0.5 32.6 Ⅴ-0
注：“—”为未添加。

由表 3 可知，未添加阻燃剂 MP、APP、SiO 2
的 MCC，LOI 为 18.1%，极易燃，MCC 完全发生热
裂解，由于热传导作用火焰直接蔓延到邻近表面，
并伴有明亮的火焰，垂直燃烧等级属于Ⅴ-1。将不

同阻燃剂分别与 MCC 复配得到阻燃纤维素复合材
料 MCC-1、MCC-2 和 MCC-3，其中，MCC-1 的燃
图 7 MCC 溶解机理图
Fig. 7 Diagram of MCC dissolution mechanism 烧效果最差，火焰燃烧时间最短，LOI 为 22.5%，
燃烧水平达到Ⅴ-1。将阻燃剂与 MCC 两两复配，覆
[CmVIM]Cl 离子液体中阴阳离子通过与 MCC 盖于 MCC 表面，LOI 相差不大，但相比于单一阻燃
的氢、氧原子形成电子供体-电子受体的复合物，破 剂明显增大，阻燃剂的复配对阻燃材料的阻燃性能
坏了 MCC 的紧密氢键网络结构。体积较小、电负 具有协同作用。其中无机阻燃剂与有机阻燃剂协同
–
性强的 Cl 与 MCC 上的氢原子形成氢键，导致 MCC 阻燃效果较好，达到抑燃的效果。膨胀型阻燃剂 MP
分子氢键打开，使得阳离子与 MCC 的有效接触面 或 APP 含 N 阻燃剂可产生 NH 3 、CO 2 、N 2 等不燃气
积增大 [19-20] 。1-氨甲酰甲基-3-乙烯基咪唑阳离子与 体，且会产生炭沉积现象。
MCC 的氧原子形成氢键，而实现 MCC 氢键的断裂， 3 种阻燃剂 MP、APP、SiO 2 复配的阻燃效果最
使大分子结构变为小分子结构，且 TBAC 提高了体 佳，且随着阻燃剂的加入，阻燃纤维素复合材料的
–
系中游离 Cl 的浓度，与 MCC 中氢原子形成氢键的 阻燃性能越好，燃烧水平均达到Ⅴ-0 级，LOI 均超
能力增强，打开了 MCC 分子的缺口，可将 MCC 均 过 28%，是良好的阻燃材料。当 MP、APP、SiO 2
匀分散在离子液体中。通过超声预处理，增大了溶 的质量分数分别为 5%、10%、10%时，MCC-12 的
剂对 MCC 的渗透性，促使[CmVIM]Cl 离子液体阴 阻燃效果最佳，LOI 为 33.5%，且燃烧火焰偏暗，
阳离子进入 MCC 分子内部，分别作用于 MCC 氢键 基体的强度较高。硅系阻燃剂隔绝助燃气体，N、P
两端的 H 和 O，从而实现对 MCC 的溶解 [21] 。 阻燃剂易产生难燃气体，两者协同阻止 MCC 的燃烧。
2.4 阻燃纤维素复合材料的阻燃性能及热稳定性 2.4.2 阻燃纤维素复合材料的热性能分析
分析 MCC-0 与阻燃纤维素复合材料 MCC-12 的 TG
2.4.1 阻燃纤维素复合材料的 LOI、UL-94 分析 曲线，如图 8 所示。
对不同阻燃剂 MP、APP、SiO 2 与 MCC 复配所 由图 8 可知，MCC-0 的失重区在 310~386 ℃之
制备的阻燃纤维素复合材料的 LOI、UL-94 进行测 间，MCC-12 在 418~434 ℃范围内明显失重。这是
试，结果见表 3。 由于 MCC-12 中阻燃剂释放出的不燃性气体（NH 3 、