海洋生物质纤维的热降解、燃烧特性与阻燃机理研究

论文摘要

石油是现代高分子材料的主要原料,但随着全球性石油能源的紧缺,传统意义上以石油原料为基础的高聚物包括合成纤维受到了严峻的挑战。而海藻酸钠是来源于褐藻、海藻等海洋性藻类的天然高分子,具有来源广、可再生、绿色无污染等优点,因此,发展以海洋植物为主要来源的海洋生物质纤维便成了大势所趋。本论文通过湿法纺丝工艺制备出本质阻燃金属海藻酸盐纤维和甲壳素纤维以及海藻酸钙/纳米氢氧化铝复合纤维。并通过极限氧指数、锥形量热、热失重分析、残渣电镜扫描、气相裂解-质谱联用和红外等测试手段对3类纤维的阻燃性能、热稳定性能和裂解产物进行了表征,并对其热裂解机理进行了探讨。用锥形量热和极限氧指数对金属海藻酸盐纤维和海藻酸纤维的燃烧特性与阻燃特性进行了表征,结果表明：金属海藻酸盐纤维的阻燃性能优于海藻酸纤维,金属离子起到了阻燃剂的作用；残炭电镜扫描和热失重分析结果说明：与海藻酸纤维相比,海藻酸盐纤维燃烧后可以产生更多的残炭量,且形成的碳层更厚、更致密,这也是海藻酸盐纤维阻燃性能优异的重要原因；基于以上测试结果提出了海藻酸盐纤维的金属离子阻燃机理：金属离子催化热解改变了海藻多糖大分子的热裂解历程；金属离子的存在造就了碱性环境,促进海藻酸盐纤维的脱羧反应产生大量的二氧化碳；金属氧化物或金属碳酸盐的催化成碳反应。对甲壳素纤维的测试结果表明,与粘胶纤维相比,甲壳素纤维的阻燃特性、热稳定性能均好于粘胶纤维,并且燃烧后产生了更多的残渣以及较少的裂解产物,是一种本质阻燃纤维,原因在于甲壳素纤维中氮元素的存在起到了气相阻燃与凝固态阻燃的作用。纳米氢氧化铝作为一种阻燃增强剂,具备较好的化学稳定性和阻燃性,广泛应用于塑料领域,在纤维领域尚未见使用。通过湿法纺丝工艺制备出海藻酸钙/纳米氢氧化铝复合纤维,并对纤维进行了纤维强力测试和热失重分析,结果表明纳米氢氧化铝的引入能够提高海藻酸钙/纳米氢氧化铝复合纤维的强度和阻燃性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 海藻酸盐简介
• 1.1.1 海藻酸及海藻酸盐的结构与性质
• 1.1.2 海藻酸钠的制备
• 1.1.3 海藻酸钠及其盐类的应用
• 1.1.4 海藻酸盐纤维的研究进展
• 1.2 甲壳素简介
• 1.2.1 甲壳素的结构与性质
• 1.2.2 甲壳素的应用
• 1.2.3 甲壳素纤维的制备工艺
• 1.2.4 甲壳素/壳聚糖纤维的主要特性
• 1.2.5 甲壳素纤维的应用与研究现状
• 1.3 阻燃剂与阻燃机理简介
• 1.3.1 有机阻燃剂
• 1.3.2 无机阻燃剂
• 1.4 金属离子盐对高分子材料热性能的影响
• 1.5 本论文研究的目的和意义
• 第二章 海藻酸盐纤维的阻燃、热稳定性能及其裂解机理研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要实验仪器与试剂
• 2.2.2 海藻酸盐纤维的制备
• 2.2.3 测试仪器与测试条件
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 纤维的极限氧指数
• 2.3.2 纤维的阻燃性能与锥形量热分析
• 2.3.3 纤维残渣的扫描电镜表征
• 2.3.4 纤维的热稳定性能
• 2.3.5 裂解气相色谱质谱联用分析
• 2.3.6 金属离子阻燃机理
• 2.4 小结
• 第三章 甲壳素纤维的制备及其阻燃热稳定性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂与药品
• 3.2.2 主要测试方法
• 3.2.3 甲壳素纤维的湿法纺丝工艺
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 纤维的LOI及CONE测试
• 3.3.2 纤维残炭的SEM表征
• 3.3.3 纤维的热重分析
• 3.3.4 两种纤维的热降解动力学性能研究
• 3.3.5 纤维的PY-GC/MS表征
• 3.4 小结
• 第四章 海藻酸钙/纳米氢氧化铝纤维的制备和性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要实验原料和试剂
• 4.2.2 测试仪器与条件
• 4.2.3 纺丝原液的配置
• 4.2.4 纤维的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纺丝原液的流变性能
• 4.3.1.1 剪切速率对流动曲线的影响
• 4.3.1.2 纺丝原液的非牛顿性指数
• 4.3.1.3 温度对共混溶液的影响
• 4.3.1.4 纺丝原液动态流变测试
• 4.3.2 原液降解实验及机理研究
• 4.3.2.1 海藻酸钠纺丝原液的降解机理
• 4.3.2.2 原液降解实验和氢氧化铝防降解机理探究
• 4.3.3 纤维的红外谱图
• 4.3.4 纤维的XRD测试
• 4.3.5 扫描电镜（SEM）测试结果
• 4.3.6 透射电镜（TEM）实验结果
• 4.3.7 纤维的强力测试
• 4.3.8 纤维的TG和DTG测试
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢