锥形量热法研究木质素基膨胀型阻燃剂对环氧树脂阻燃抑烟效果

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.09.016

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (9): 103-108.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.09.016

锥形量热法研究木质素基膨胀型阻燃剂对环氧树脂阻燃抑烟效果

梁孟珂¹, 邱杰¹, 朱永晨¹, 田华峰², 武志鹏¹, 罗振扬¹^,³()

^1.南京林业大学理学院，南京 210037
^2.北京工商大学化学与材料工程学院，北京 100048
^3.南京林业大学高分子材料研究所，南京 210037

收稿日期:2021-03-15 出版日期:2021-09-26 发布日期:2021-09-23
基金资助:
南京林业大学大学生实践创新训练计划项目(202010298179H)

Study on Effect of Lignin⁃based Intumescent Flame Retardant on Flame Retardancy and Smoke Suppression of Epoxy Resin using Cone Calorimetry

LIANG Mengke¹, QIU Jie¹, ZHU Yongchen¹, TIAN Huafeng², WU Zhipeng¹, LUO Zhenyang¹^,³()

^1.College of Science，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China
^2.College of Chemistry and Materials Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China
^3.Institute of Polymer Materials，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China

Received:2021-03-15 Online:2021-09-26 Published:2021-09-23
Contact: LUO Zhenyang E-mail:luozhenyang@njfu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

以来自自然界储量第二的木质素作为膨胀型阻燃剂的基体，通过接枝氮、磷元素成功合成碳源、酸源、气源三位一体的木质素基膨胀型阻燃剂（Lig-T），实现了良好的阻燃性能。将Lig?T按照不同含量添加到环氧树脂（EP）中制备EP/Lig-T复合材料，以锥形量热测试考察复合材料的热稳定性能和阻燃性能，并重点考察复合材料在接近真实火灾事故时的热释放和烟释放规律。结果表明，当Lig-T含量为20 %（质量分数，下同）时，复合材料的热释放速率峰值为1 374 kW/m²、热释放总量为41.63 MJ/m²、烟释放总量为1 634 m²/m²，与EP参比试样的数值相比，均呈现下降的趋势，燃烧结束的残炭率从4.26 %增至10.01 %。基于气相和凝聚相的协效阻燃机理，木质素作为膨胀型阻燃剂的碳源使得复合材料在高温条件下具备更好的成炭效果，在燃烧过程中形成稳定且致密的炭层结构，在实现高效阻燃的同时减少有毒烟气的释放，降低火灾的危害。

关键词: 木质素基膨胀型阻燃剂, 环氧树脂, 锥形量热仪, 热释放, 烟释放

Abstract:

With the second largest reserve in nature， lignin was used as a supporting matrix for intumescent flame retardant. A lignin-based intumescent flame retardant named as Lig-T was successfully synthesized through introducing nitrogenous and phosphorus elements. In this flame retardant， the carbon source， acid source and gas source were integrated to achieve good flame retardancy. Epoxy resin （EP）/Lig-T composites were prepared at different mass fractions， and their thermal stability and flame retardancy were investigated through cone calorimetry， focusing on the heat release and smoke release law to simulate the condition of real fire accident. The results indicated that when the mass fraction of Lig-T was 20 %， the composites obtained a peak heat release rate of 1 960 kW/m²， a total heat release of 60.80 MJ/m²， and a total smoke release of 1 634 m²/m². All of these data exhibited a downward trend compared to the values of pure epoxy resin. In addition， the residual char yield at the end of combustion was increased from 4.26 to 10.01 wt%. Based on the synergistic flame retardant mechanism of gas phase and condensed phase， lignin can act as a carbon source of intumescent flame retardants to endow the composites with a better carbon-forming effect at high temperature， resulting in the formation of a stable and dense carbon layer structure during the combustion process. This work demonstrated that lignin can reduce the release of toxic gas as well as achieve a high?efficient flame-retardant effect， thus reducing the risk of fire.

Key words: lignin?based intumescent flame retardant, epoxy resin, cone calorimeter, heat release, smoke release

中图分类号:

TQ323.5

梁孟珂, 邱杰, 朱永晨, 田华峰, 武志鹏, 罗振扬. 锥形量热法研究木质素基膨胀型阻燃剂对环氧树脂阻燃抑烟效果[J]. 中国塑料, 2021, 35(9): 103-108.

LIANG Mengke, QIU Jie, ZHU Yongchen, TIAN Huafeng, WU Zhipeng, LUO Zhenyang. Study on Effect of Lignin⁃based Intumescent Flame Retardant on Flame Retardancy and Smoke Suppression of Epoxy Resin using Cone Calorimetry[J]. China Plastics, 2021, 35(9): 103-108.

图/表 7

图1 不同Lig?T含量的EP/Lig?T复合材料的HRR和THR曲线

Fig.1 The heat release rate and total heat release curves of EP/Lig?T composites with different content of Lig?T

图2 不同Lig?T含量的EP/Lig?T复合材料的SPR和TSR曲线

Fig.2 The somke release rate and total smoke release curves of EP/Lig?T composites with different content of Lig?T

图3 不同Lig?T含量的EP/Lig?T复合材料的CO生成速率和CO2生成速率曲线

Fig.3 The CO generation rate and CO2 generation rate curves of EP/Lig?T composites with different content of Lig?T

图4 不同Lig?T含量的EP/Lig?T复合材料在不同测试环境下的O2、CO和CO2含量变化曲线

Fig.4 The O2， CO and CO2 content change curvesof EP/Lig?T composites with different content of Lig?T under the test environment

样品	CO生成速率峰值/g·s^-1	CO₂生成速率峰值/g·s^-1	O₂含量最小值/%	CO含量最大值/%	CO₂含量最大值/%
EP	0.067 9	1.039 7	14.33	0.401 5	4.515
EP/10 %Lig?T	0.065 8	1.033 2	15.58	0.367 6	3.714
EP/20 %Lig?T	0.062 5	0.863 5	17.03	0.300 9	3.010

表1 EP/Lig?T复合材料测试环境气体生产速率及含量参数

Tab.1 The gas production rates and content parameters of EP/Lig?T composites under the test environment

样品	样品质量/g	残留物质量/g	残留物质量分数/%	平均质量损失率/g·s^-1
EP	47.76	2.034	4.268	0.100 3
EP/10 %Lig?T	49.58	3.575	7.211	0.085 0
EP/20 %Lig?T	49.98	5.003	10.01	0.062 0

表2 EP/Lig?T复合材料测试环境质量参数

Tab.2 The mass parameters of EP/Lig?T composites under the test environment

图5 锥形量热测试后不同Lig?T含量的EP/Lig?T复合材料的数码照片

Fig.5 The digital photos of EP/Lig?T composites with different content of Lig?T

参考文献 19

1	欧育湘，韩廷解.发展阻燃材料防火灾于未然［J］.新材料产业， 2006 （10）：32⁃36.
	OU Y X， HAN T J. Develop Flame⁃Retardant Materials to Prevent Fire before They Happen［J］. Advanced Materials Industry， 2006（10）：32⁃36.
2	戴鹏.木质素基膨胀型阻燃剂及其在环氧树脂中的应用［D］.南京：南京林业大学， 2020.
3	FANG F， HUO S Q， SHEN H F， et al. A Bio⁃Based Ionic Complex with Different Oxidation States of Phosphorus for Reducing Flammability and Smoke Release of Epoxy Resins［J］. Composites Communications， 2020，17：104⁃108.
4	DAI P， LIANG M K， MA X F， et al. Highly Efficient， Environmentally Friendly Lignin⁃Based Flame Retardant Used in Epoxy Resin［J］. ACS Omega， 2020，5（49）：32 084⁃32 093.
5	郭超，辛菲，钱立军，等.无卤阻燃热塑性聚酯的研究进展［J］.中国塑料， 2017，31（10）：12⁃19.
	GUO C， XIN F， QIAN L J， et al. Research Progresses in Halogen⁃free Flame⁃retardant Thermoplastic Polyesters［J］. China Plastics， 2017，31（10）：12⁃19.
6	卢林刚，赵瑾，苏祺，等.膨胀型阻燃剂/纳米CuO协同阻燃环氧树脂［J］.高分子材料科学与工程， 2020，36（10）：63⁃70，78.
	LU L G， ZHAO J， SU Q， et al. Intumescent Flame Retardant/Nano⁃CuO Synergistic Flame⁃Retardant Epoxy Resin［J］. Polymer Materials Science & Engineering， 2020，36（10）：63⁃70，78.
7	JIAN R K， AI Y F， XIA L， et al. Single Component Phosphamide⁃Based Intumescent Flame Retardant with Potential Reactivity towards Low Flammability and Smoke Epoxy Resins［J］. Journal of Hazardous Materials， 2019，371：529⁃539.
8	陈荆晓，董晓红，贾正仁，等.水溶性磷⁃氮协效膨胀型阻燃剂的制备及应用［J］.聚氨酯工业，2019，34（5）：25⁃28.
	CHEN J X， DONG X H， JIA Z R， et al. Preparation and Application of A Water⁃soluble P⁃N Synergistic Intumescent Flame Retardant［J］. Polyurethane Industry， 2019，34（5）：25⁃28.
9	LI H， LIANG Y， LI P C， et al. Conversion of Biomass Lignin to High⁃Value Polyurethane： A review［J］. Journal of Bioresources and Bioproducts， 2020，5（3）： 163⁃179.
10	COSTES L， LAOUTID F， BROHEZ S， et al. Bio⁃Based Flame Retardants： When Nature Meets Fire Protection［J］. Materials Science and Engineering R， 2017，117：1⁃25.
11	付蒙，陈福林，岑兰，等.木质素的改性及其在塑料中的应用研究进展［J］.中国塑料， 2012，26（11）：14⁃21.
	FU M， CHEN F L， CEN L， et al. Research Progress in Modification of Lignin and Its Application in Plastics［J］. China Plastics， 2012，26（11）：14⁃21.
12	梁孟珂，戴鹏，陈静，等.木质素基膨胀型阻燃剂的制备及其应用［J］.林产化学与工业，2021，41（4）：10⁃16.
	LIANG M K， DAI P， CHEN J， et al. Preparation and Application of Lignin⁃Based Intumescent Flame Retardant［J］. Chemistry and Industry of Forest Products， 2021，41（4）：10⁃16.
13	詹满军，陈志林，储富祥.复合型阻燃剂对无醛超低密度纤维板性能的影响［J］.林产化学与工业，2019，39（3）：87⁃93.
	ZHAN M J， CHEN Z L， CHU F X. Effect of Hybrid Flame Retardant on Properties of Formaldehyde⁃free Ultra⁃low Density Fiberboard［J］. Chemistry and Industry of Forest Products， 2019，39（3）：87⁃93.
14	YANG H T， YU B， XU X D， et al. Lignin⁃derived Bio⁃based Flame Retardants Toward High⁃performance Sustainable Polymeric Materials［J］. Green Chemistry， 2020，22：2 129⁃2 161.
15	陈旬，袁利萍，胡云楚，等.锥形量热法研究APP/5A分子筛对木材的阻燃抑烟作用［J］.林产化学与工业，2014，34（2）：45⁃50.
	CHEN X， YUAN L P， HU Y C， et al. Effects of the Molecular Sieve 5A and APP on the Flame Retardance and Smoke Suppression in Wood by Cone Calorimeter［J］ Chemistry and Industry of Forest Products， 2014，34（2）：45⁃50.
16	苏虎，包永忠，黄志明.纳米水滑石/氧化锌/氧化镁复合改性聚氯乙烯的燃烧特性［J］.中国塑料，2011，25（4）：89⁃92.
	SU H， BAO Y Z， HUANG Z M. Combustion Properties of Poly（vinyl chloride）/Nano Hydrotalcite/ZnO/MgO Composites［J］. China Plastics， 2011，25（4）：89⁃92.
17	SHAO Z B， DENG C， TAN Y， et al. An Efficient Mono⁃Component Polymeric Intumescent Flame Retardant for Polypropylene： Preparation and Application［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2014，6（10）：7 363⁃7 370.
18	SALMEIA K A， GAAN S. An Overview of Some Recent Advances in DOPO⁃derivatives： Chemistry and Flame Retardant Applications［J］. Polymer Degradation and Stability， 2015，113：119⁃134.
19	LIU L N， QIAN M B， SONG P A， et al. Fabrication of Green Lignin⁃based Flame Retardants for Enhancing the Thermal and Fire Retardancy Properties of Polypropylene/Wood Composites［J］. ACS Sustainable Chemistry & Engineering， 2016，4（4）：2 422⁃2 431.

[1]	谭立钦, 刘伟区, 梁利岩, 王硕, 冯志强, 林家明. 含巯基聚硅氧烷改性环氧树脂的制备及性能[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 21-29.
[2]	徐杰, 钟进福, 童晓茜, 李广富, 付栋梁, 李城城. 端羧基修饰单宁酸/没食子酸环氧树脂复合材料的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 44-50.
[3]	衣惠君, 汤明, 张清怡, 摆音娜. 3D打印用光固化树脂产品性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 43-46.
[4]	徐伟华, 郑宇, 沈向阳, 张炎, 刘桔文, 严石静. 不同POSS对磷⁃硅协同阻燃环氧树脂性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 115-120.
[5]	张祥凯, 王智敏, 谢建强. 生物质环氧树脂固化剂的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(2): 111-124.
[6]	刘振, 余云, 张孟航, 尹浏烨, 段雨霏, 侯桂香. 没食子酸环氧树脂/蓖麻油酸多胺体系固化动力学及性能[J]. 中国塑料, 2022, 36(2): 75-81.
[7]	孙正艋, 张明旭, 张馨宁, 梁策, 张海亮, 李云辉, 马玉芹. 纳米玻璃粉掺杂双酚A型环氧树脂基复合材料的热稳定性能研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(9): 15-20.
[8]	彭凡畅, 陈小随, 张爱清, 周洪福. 超支化聚磷酰胺包覆碳纳米管的可控制备及阻燃应用[J]. 中国塑料, 2021, 35(9): 55-63.
[9]	司晓闯, 袁端鹏, 李凯, 郝留成, 陈蕊, 张娜娜. 玻璃纤维增强PA66复合材料作为高压开关设备绝缘件材料的可行性分析[J]. 中国塑料, 2021, 35(9): 75-80.
[10]	何银通, 梁家琪, 刘鲁斌, 徐悦, 王可竹, 余航, 王淑慧, 许苗军. 耐水阻燃透明型环氧树脂的制备及其应用研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(5): 6-10.
[11]	罗轩昂, 刘述梅, 赵建青. 低介电损耗环氧树脂复合材料的研究进展[J]. 中国塑料, 2021, 35(3): 130-138.
[12]	宋昆朋, 王银杰, 刘吉平, 方祝青, 杨威威, 郑东森. 磷腈化合物在阻燃聚合物领域的研究进展[J]. 中国塑料, 2021, 35(2): 107-118.
[13]	韦代东, 曾娟娟, 陈海基. 高渗透性环氧树脂防水防腐涂料的制备及性能[J]. 中国塑料, 2021, 35(2): 8-13.
[14]	方云峰, 马骉, 王小庆, 康兴祥, 汤宇婷. 单组分环氧树脂用潜伏型固化剂研究进展[J]. 中国塑料, 2021, 35(12): 154-165.
[15]	彭新龙, 曾宇清, 梁卓恩, 谢忆. 环氧树脂/玻璃纤维模压预浸料固化反应动力学研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(12): 81-87.

锥形量热法研究木质素基膨胀型阻燃剂对环氧树脂阻燃抑烟效果

Study on Effect of Lignin⁃based Intumescent Flame Retardant on Flame Retardancy and Smoke Suppression of Epoxy Resin using Cone Calorimetry

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 7

参考文献 19

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价