采用纖維素纖維的層層組裝處理對(duì)紙張的阻燃性和強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)控

摘要：

采用層層組裝（LbL）技術(shù)，將陽離子聚乙烯亞胺（PEI）和陰離子表面活性劑六偏磷酸鈉（SHMP）組成的多層聚電解質(zhì)吸附到纖維素纖維上，以提高由這些纖維制成的紙張的阻燃性和拉伸強(qiáng)度。利用模型纖維素表面和石英晶體微天平技術(shù)研究了PEI分子量對(duì)多層膜構(gòu)建的影響。采用聚電解質(zhì)滴定法研究了低分子量（LMw）和高分子量（HMw）的PEI在纖維素纖維和羧甲基（CM）纖維素纖維表面上的吸附。用PEI和SHMP連續(xù)處理纖維，在纖維表面上沉積3.5個(gè)雙層薄膜，然后將處理過的纖維用于制備片材。因此同時(shí)，用相同的層層組裝技術(shù)制備一個(gè)濕強(qiáng)度的紙張。層層組裝處理的纖維的熱重分析顯示纖維素降解的起始溫度降低，并且在800℃下殘留物的質(zhì)量增加。使用水平燃燒性能測試和垂直燃燒性能測試來評(píng)估紙張的燃燒行為。雖然纖維素纖維和CM-纖維素纖維通過HM_W-PEI / SHMP層層組裝處理后所得的紙張吸附的聚合物的量相當(dāng)?shù)停�只形成了非常薄的膜（濕厚度約17nm），但在水平燃燒性能測試中能夠發(fā)生自熄。漿張拉伸性能顯示，具有3.5個(gè)HMw-PEI和SHMP雙層薄膜的紙張斷裂應(yīng)力與未處理的纖維素纖維制備的片材相比提高了100％。

關(guān)鍵詞：層層組裝；阻燃性；熱穩(wěn)定性；纖維素纖維；聚乙烯亞胺；六偏磷酸鈉

使用的儀器和方法：耗散型石英晶體微天平

本文使用由瑞典百歐林科技有限公司生產(chǎn)的QSense耗散型石英晶體微天平（QCM-D）來研究多層膜的構(gòu)建。使用的基材是AT切石英晶體，用超純水、乙醇和超純水依次沖洗，并采用等離子體處理3分鐘來清潔。根據(jù)Gunnars等人描述的過程，在旋涂之前使用PV Am作為固定層，在干凈的芯片表面上制備模型纖維素。在模型纖維素表面上通過用陽離子聚合物溶液和陰離子聚合物溶液進(jìn)行連續(xù)處理來制備層層組裝薄膜，中間沖洗步驟以150uL/min的速度連續(xù)流動(dòng)，并通過QCM-D實(shí)時(shí)監(jiān)測吸附。Rodahl等人描述了QCM-D過程的理論基礎(chǔ)，歸一化頻率的變化與包括溶劑質(zhì)量在內(nèi)的總吸附質(zhì)量成比例�？梢允褂肧auerbrey關(guān)系來計(jì)算平整和均勻吸附薄膜的總質(zhì)量。

聚電解質(zhì)多層膜在模型纖維素表面上的吸附

在模型纖維素表面上形成陽離子PEI和陰離子SHMP組成的聚電解質(zhì)多層膜，對(duì)層層交替組裝過程進(jìn)行定量測定。下圖是QCM-D的測量結(jié)果，顯示了在10mM NaCl溶液中依次沉積兩種不同分子量的PEI和SHMP時(shí)，第三諧頻的歸一化頻率和耗散的變化。

上圖在QCM-D測得的3.5個(gè)雙層的（PEI / SHMP）在模型纖維素和模型CM-纖維素表面上進(jìn)行的層層組裝。

a 歸一化化頻率的變化；b能量耗散的變化；c使用Sauerbrey方程計(jì)算的薄膜的總吸附質(zhì)量，包括被吸附層內(nèi)固定的溶劑質(zhì)量。

結(jié)論：

該研究顯示采用層層組裝的方法將膨脹型阻燃組分（PEI和SHMP）吸附到木質(zhì)纖維素纖維上對(duì)形成的紙張的阻燃性能具有明顯積極的影響。在氮?dú)庵械臒嶂胤治鲲@示在800℃下殘留物的量增加，表明LbL處理后的纖維成碳能力明顯增強(qiáng)。LbL處理顯著改善了紙張的易燃性。在水平燃燒性能試驗(yàn)中，由HMw-PEI和SHMP處理過的纖維制備的紙張?jiān)诨鹧媸┘雍?5秒表現(xiàn)出自熄滅行為，而未經(jīng)處理的紙張則在56s燃燒完全。在垂直燃燒性能測試之后，所有經(jīng)LbL處理的紙張均在纖維上形成連貫且完整的炭層。這種效果在經(jīng)HMw-PEI / SHMP處理后的羧甲基纖維表現(xiàn)得更明顯。LOI值的增加也表明LbL處理后可增強(qiáng)阻燃性能，需要更多的氧氣來支持火焰?zhèn)鞑�。這歸因于這種LbL組合的完全成膜，特別是對(duì)于HMw-PEI / SHMP組合，如QCM-D模型和AFM研究所證實(shí)的，此時(shí)吸附層中SHMP的含量更高。由LbL處理后的纖維制備的紙張的機(jī)械強(qiáng)度明顯更好，特別是當(dāng)纖維素纖維中含有HMw-PEI時(shí)。在所有情況下，HMw-PEI / SHMP的引入都比LMw-PEI / SHMP有更大的提升。這些研究結(jié)果僅用3.5 BL沉積就可以實(shí)現(xiàn)，這表明LbL技術(shù)是一種簡單有效的改善纖維的表面性能的方法，可以在降低木質(zhì)纖維易燃性的同時(shí)增強(qiáng)紙材的機(jī)械性能。