卡拉胶纤维的阻燃性能

doi:10.7503/cjcu20160559

高等学校化学学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (2): 303.doi: 10.7503/cjcu20160559

卡拉胶纤维的阻燃性能

张伟伟^1,², 薛志欣^1,²(), 刘晶晶^1,², 燕苗^1,², 夏延致²()

1. 青岛大学化学化工学院, 青岛 266071
2. 青岛大学海洋纤维新材料研究院, 青岛 266071

收稿日期:2016-07-31 出版日期:2017-02-10 发布日期:2016-12-29
作者简介:联系人简介: 薛志欣, 女, 博士, 副教授, 主要从事新型海藻纤维研究. E-mail: xuezhixin@qdu.edu.cn; 夏延致, 男, 博士, 教授, 主要从事阻燃纤维和海洋生物质纤维新材料研究. E-mail: xiayz@qdu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(批准号: 50803030)、博士后基金(批准号: 201104581, 20100471495)、山东省泰山学者建设工程项目、长江学者和创新团队发展计划项目(批准号: IRT0970)资助

Flame-retardant Property of Carrageenan Fiber^†

ZHANG Weiwei^1,², XUE Zhixin^1,^2,^*(), LIU Jingjing^1,², YAN Miao^1,², XIA Yanzhi^2,^*()

1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China
2. Institute of Marine Biobased Materials, Qingdao University, Qingdao 266071, China

Received:2016-07-31 Online:2017-02-10 Published:2016-12-29
Contact: XUE Zhixin,XIA Yanzhi E-mail:xuezhixin@qdu.edu.cn;xiayz@qdu.edu.cn
Supported by:
† Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.50803030), the Postdoctoral Science Special Foundation of China(Nos.201104581, 20100471495), the Program for Taishan Scholar of Shandong Province, China and the Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University, China(No.IRT0970)

摘要/Abstract

摘要：

以钡盐为凝固浴, 经湿法纺丝技术获得卡拉胶纤维(CAF). 通过极限氧指数(LOI)、锥型量热(Cone)、扫描电子显微镜(SEM)、元素分析(EDS)、 X射线衍射(XRD)、热重红外(TG-FTIR)同步差示扫描量热(DSC)法、热裂解(Py)和气相色谱-质谱法(GC-MS)对CAF进行表征. 结果表明, CAF极限氧指数高达50以上, 锥型量热过程中, CAF一直保持红热状态, 没有产生火苗, 其热释放速率及总释放热等参数均较低, 与海藻酸钙纤维(ALF)和琼胶纤维(AGF)相比, CAF具有较好的阻燃性. 可能机理为卡拉胶分子的硫酸酯基和渗入纤维内部的钡离子发生络合作用, 并促进交联成炭和改变纤维裂解过程. 裂解过程中产生的磺酰自由基与燃烧产生的氢氧自由基迅速结合, 终止燃烧反应. 同时, CAF在燃烧过程中产生大量残炭, 并形成致密的钡盐结构层和中空的纤维结构, 成为CAF阻燃的另一重要因素.

关键词: 卡拉胶纤维, 阻燃性, 残炭, 钡离子, 硫酸酯基

Abstract:

Carrageenan fibers(CAFs) were obtained through the wet spinning technique with barium salt as coagulation bath. The fibers were characterized by limiting oxygen index(LOI), Cone calorimeter(Cone), scaning electron microscopy-energy dispersive spectrometer(SEM-EDS), X-ray diffraction(XRD), thermogravimetry(TG)-differential scanning calorimetry(DSC)-Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR) and pyrolysis(Py)-gas chromatography(GC)-mass spectrometry(MS). The results showed that carrageenan fiber(CAF) took on better flame retardancy than calcium alginate fiber(ALF) and agar fiber(AGF). The LOI of CAF was up to more than 50, and the fiber kept red state without flame in the whole Cone process. Some other Cone parameters presenting lower value, such as heat release rate, total heat release, indicated that CAF has good flame retardancy. The sulfate ester combined with barium ion through complexing action of CAF, and they played an important role in the formation of carbon residue and changing the breakup processes of carra-geenan macromolecule. In addition, flame-retardant mechanism could be attributed to sulfonyl free radical, which can combine with hydroxyl radicals rapidly to terminate the combustion reaction. Meanwhile, the dense structure of barium salt layer and hollow fiber structure were also crucial factors of flame retardant performance for CAF.

Key words: Carrageenan fiber, Flame retardancy, Carbon residue, Barium ion, Sulfate ester

中图分类号:

O636

TrendMD:

张伟伟, 薛志欣, 刘晶晶, 燕苗, 夏延致. 卡拉胶纤维的阻燃性能. 高等学校化学学报, 2017, 38(2): 303.

ZHANG Weiwei, XUE Zhixin, LIU Jingjing, YAN Miao, XIA Yanzhi. Flame-retardant Property of Carrageenan Fiber^†. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(2): 303.

图/表 13

Fig.1 Custom-made wet spinning device

Fig.2 Curves of HRR(A), THR(B), TSR(C) and MLR(D) of AGF(a), ALF(b), κ-CAP(c), λ-CAP(d), κ-CAF(e) and λ-CAF(f)

Table 1 Data of Cone and element content of AGF, ALF, κ-CAP, λ-CP, κ-CAF and λ-CAF

Sample	AGF	ALF	κ-CAP	λ-CAP	κ-CAF	λ-CAF
TTI^a/s	4	108	70	82	Red state^b	Red state
Peak HRR/(kW·m^-2)	258	45	25	24.5	22	19
Time Peak HRR/s	47	156	61	75	109	80
Mean HRR/(kW·m^-2)	101	23	16	15	13	12
THR/(MJ·m^-2)	20	6.7	3.8	3.2	2.9	2.7
TSR_{0—200 s}/(m²·m^-2)	0.6	12.1	3.1	2.6	2.3	2.0
Sulfur content(%)	0.27		6.32	7.66	6.20	7.35
Barium content(%)	13.5		0	0	16.2	17.4

Fig.3 Optical and SEM(insets) images of AGF(A, E), ALF(B, F), κ-CAF(C, G) and λ-CAF(D, H) before(A—D) and after(E—H) Cone

Fig.4 SEM image of CAF(A)(B) Magnification of cirle in (A); (C) magnification of square in (A).

Fig.5 XRD of AGF, ALF, κ-CAF and λ-CAF

Fig.6 EDS of λ-CAF(A) and ALF(B)Inset: (A) element content of λ-CAF; (B) element content of ALF.

Fig.7 FTIR spectra of AGF(a), κ-CAF(b) and λ-CAF(c)

Fig.8 TG(a) and DTG(b) curves of ALF(A), λ-CAP(B) and λ-CAF(C)

Fig.9 DSC curves of ALF(a), λ-CAP(b) and λ-CAF(c)

Fig.10 FTIR spectra of λ-CAF at different temperature a. 180℃; b. 200 ℃; c. 300 ℃; d. 500 ℃; e. 700 ℃; f. 750 ℃; g. 800 ℃.

Table 2 Main pyrolysis fragments of λ-CAF at 180 and 750 ℃

Scheme 1 Proposed pyrolysis mechanism of λ-CAF

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