不同金属离子改性海藻酸纤维阻燃机理研究

The flame retardancy of alginate fibers shows greatly difference due to the introduction of different metal ions in the fibers. For example, the limited oxygen index (LOI) value of calcium alginate fibers is 34.4, while the LOI value of copper alginate fibers is only 17.8. Currently, the reason of the different flame retardant properties caused by different metal ions is not investigated systematically, and it needs studying in depth. On the basis of previous studies, the effect on the flame retardant properties of alginate fibers for kinds of metal ions will be studied in detail, and a variety of test methods will be utilized to investigate the flame retardant mechanism of the alginate fibers with metal ions. The flame retardant mechanism obtained will be used as an guidance to design other flame retardant bio-fibers (such as cellulose fibers) which possess the similar structure with alginate fibers. A new and effective halogen-free flame retardant bio-fibers(such as cellulose fibers) will be developed.Moreover, on the basis of the results from the project, the basic rules for catalytic effect of metal ions and the flame retardant theories will be illuminated totally. And the results provided can be utilized to design the effective and environmental flame retardant materials, to provide the scientific basis, and to develop the flame retardant theories.

海藻酸盐纤维中因引入的金属离子不同会引起其阻燃性能的巨大差异（海藻酸钙纤维的氧指数值高达34.4，而海藻酸铜纤维的氧指数值只有17.8）。目前关于造成这一差异的原因及其阻燃机理尚缺乏研究。本项目，拟详细研究各种金属离子的加入对海藻酸纤维结构、性能的影响及不同金属离子引起海藻酸纤维性能差异的原因，揭示各种金属离子在海藻酸纤维热裂解过程中的作用机制，阐明不同金属离子改性海藻酸纤维阻燃性能差异的原因及其阻燃机理；有望将所得的阻燃机理应用于具有类似结构的其它生物质纤维（如纤维素纤维）的阻燃改性。通过本项目的研究，丰富对金属离子催化成炭反应基本规律和阻燃理论方面的认识，为新型高效环保阻燃材料的设计和开发提供实验基础和科学依据，丰富现阶段尚不完善的阻燃理论。

本项目以海藻酸钠为原料，制备了不同金属离子改性海藻酸盐膜及纤维，通过FTIR、EDX、ICP、TGA、LOI、UL-94、MCC、TG-FTIR、Py-GC-MS等详细研究了不同海藻酸盐膜的结构、金属离子含量、热稳定性能、热氧化降解性能、阻燃性能、热分解气相分解产物的组成、高温裂解气相分解产物的组成，并根据以上结果推测了其阻燃机理。FTIR及EDX测试结果表明通过流延成膜法成功制备了不同金属离子改性的海藻酸盐膜。研究结果表明除Cu2+外，无需添加阻燃剂，海藻酸盐（Zn2+、Ni2+、Co2+、Fe3+、Al3+、Mn2+、Cr2+、Ba2+等）膜具有自阻燃作用，其中海藻酸钡、钴、锌、铝的LOI分别为52.0、45.0、49.3、42.0，垂直燃烧都为V-0级；MCC测试结果表明不同金属离子的加入大大降低了海藻酸的最大热释放速率（PHRR）。TGA研究结果表明不同金属离子的加入降低了海藻酸的热分解温度，不同金属离子起到了催化降解的作用；与海藻酸钠的残炭量相比，不同金属离子的加入降低了海藻酸在高温区的残炭量；不同金属离子的加入改变了海藻酸的热降解机理。以上结果说明金属离子的加入，使得海藻酸分解释放出更多的难燃性气体及燃烧值小的气体，从而达到阻燃的目的。TG-FTIR测试结果表明不同金属离子的加入减少了可燃性气体（烃类化合物、羰基化学物、醇类化合物、酮类化合物等）的释放量，提高了难燃性气体（二氧化碳、水）的释放量，从而达到阻燃的目的。Py-GC-MS测试结果表明，不同金属离子的加入大大减少了海藻酸高温裂解产物的种类，同时提高了难燃性气体（二氧化碳）的释放量，说明不同金属离子的加入能够催化某些裂解反应，释放出更少的高温裂解产物；但是不同金属离子对海藻酸催化裂解的机理不同，导致最终各类裂解产物因金属离子不同而不同。根据以上结果推测了不同金属离子改性海藻酸盐的裂解机理及阻燃机理。.不同锌离子含量改性海藻酸的研究结果表明当锌离子含量达到一定程度后，海藻酸锌的阻燃性能不再随着锌离子含量的增加而增加，说明当锌离子含量达到一定程度后，在此基础上增加金属离子的含量不再提高海藻酸的阻燃性能。.共发表与本项目相关的SCI/EI收录文章11篇，公开申请专利2项，发表国际国内会议论文9篇，培养硕士研究生4名，完成了本项目的研究内容及研究目标。