玄武岩纤维与植物纤维混抄制备吸音阻燃纸的研究

徐永建 李 伟 刘 燕

（陕西科技大学轻工科学与工程学院，陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，轻化工程国家级实验教学示范中心，中国轻工业纸基功能材料重点实验室，陕西西安，710021）

吸音阻燃特种材料的研究与应用对于噪声污染的治理和火灾预防具有十分重要的意义。玄武岩纤维是由工业废渣或天然岩石通过熔融法离心喷丝制得的一种无机纤维，具有化学稳定性好、机械性能好、耐高温和阻燃性能好等优点[1]。而无机纤维也是目前声学工程中使用的主要材料之一[2-4]，对于降低噪声污染和改善室内音质等方面都有良好的效果。这类材料不仅吸音性能良好，而且质轻、不燃，但其安装不便，在施工时容易卷曲、折断和散落，从而对环境造成污染，并危害到人们的身体健康[5]。随后，具有阻燃、耐高温和高强度等特点的金属纤维吸音材料问世，其吸音性能优异[6]，但造价较高，工艺复杂。随着人们对纤维类吸音材料性能要求的不断提高，以及对资源节约、环境保护意识的日益强烈，设计开发高吸音性能的新型纤维、制备纤维吸音复合材料，成为纤维吸音材料的发展趋势[7-9]。Yang等人[10]将稻草和木材纤维混合，质量比为1∶9 和2∶8，制备的多孔复合材料的音频范围在500～8000 Hz，吸音性能优于传统的纤维板、胶合板和刨花板。王军锋等人[11]以木质纤维和聚酯纤维为原料，异氰酸酯为胶黏剂，采用聚合物发泡和人造板工艺制备了木质纤维/聚酯纤维复合吸音材料，吸音系数高达0.7。

在某些情况下，纤维类吸音材料只具备吸音性能是远远不够的，需要同时具备质轻、阻燃、易降解等特性[12-14]。只有纤维吸音材料达到多功能化，才能得到更广泛的应用[15-18]。而吸音阻燃纸主要用于室内的装饰装修，植物纤维的可燃性就决定了对材料的防火阻燃性有特殊的要求。目前，阻燃技术已进入一个新的发展阶段，朝着高效、经济、环保型方向发展[19-21]。低的火焰传播速度、低烟、低毒是对阻燃剂的基本要求，而且要求阻燃剂高效，添加量小。阻燃材料还需具有以下性能[22]：①尺寸稳定性好；②不增加吸湿性；③具有较好的耐水性和耐久性；④热处理时变黄和强度降低要少。

玄武岩纤维/植物纤维复合材料是一种兼有吸音和阻燃特性的新型材料，可以与穿孔天花板配合使用，也可以作为密封材料应用于多种建材领域。近年来，随着科技的进步和社会的发展，人们对于生活环境逐渐向着安全、舒适、环保的方向发展，对于建筑材料的性能要求也越来越高。玄武岩纤维/植物纤维复合材料可以在较宽的频带内有良好的吸音效果，完全可以替代以离心玻璃棉为代表的传统多孔吸声材料等，这种同时具备环保性、阻燃性、装饰性的吸音材料将会越来越多地得到市场的认可，具有广阔的市场前景和经济价值。

本研究以玄武岩纤维、漂白硫酸盐针叶木浆纤维为原料，通过湿法成形，浸渍黏结剂和阻燃剂，制备吸音阻燃纸。探究矿物纤维分散性、湿纸干度、黏结剂和阻燃剂用量等因素对吸音阻燃纸性能的影响。

1 实 验

1.1 原 料

漂白硫酸盐针叶木浆，广西凤凰纸业提供；玄武岩纤维，咸阳美特环保有限公司提供；分散剂XYF，咸阳美特环保有限公司提供；黏结剂（A01），山东优索化工科技有限公司提供；2122 型阻燃剂(FR)，烟台艾弗尔化工科技有限公司提供。

1.2 仪器及设备

纤维质量分析仪（Techpap，法国）；纸页成型器（TD10-H，咸阳通达轻工设备有限公司）；纸浆标准解离机（ZBJ-1，长春市纸张试验机厂）；扫描电子显微镜（S4800，日本HITACHI 公司）；热重分析仪（STA449F3，德国耐驰仪器制造有限公司）；阻燃垂直燃烧测定仪（KS-50B，泰思泰克检测仪器科技有限公司）；阻抗管（SW422、SW477，北京声望声电技术有限公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 玄武岩纤维分散

配制浆浓为0.03%玄武岩纤维浆料，加入用量分别为0.002%、0.004%、0.006%的分散剂（相对于绝干浆），疏解10000 转，备用。观察玄武岩纤维的分散效果，并测定玄武岩纤维的沉降时间、沉降指数。采用MorFi 纤维质量分析仪测定玄武岩纤维长度、宽度等纤维形态特征参数。

1.3.2 湿纸干度的确定

抄片：取打浆度为15.0°SR的针叶木浆，按照一定比例与玄武岩纤维浆混合，同时加入一定量的分散剂，疏解10000转，制成均匀的纸浆悬浮液用于抄片。

湿纸干度的确定：固定黏结剂溶液质量分数为4%，将不同干度的湿纸浸渍30 s，在140℃的电热恒温鼓风干燥箱中干燥，研究湿纸干度对浸渍工艺的影响，以确定最佳湿纸干度。

1.3.3 黏结剂用量研究

配制质量分数为2%、4%、6%、8%的黏结剂溶液，将一定定量的湿纸在不同质量分数的黏结剂溶液中浸渍30 s，在140℃的电热恒温鼓风干燥箱中干燥。确定最佳的纸张含胶量，制备吸音阻燃纸。

1.3.4 阻燃剂用量研究

配制质量分数为2%、3%、4%、5%的阻燃剂溶液，将上述1.3.2 制得的湿纸在不同质量分数的阻燃剂溶液中浸渍30 s，在电热恒温鼓风干燥箱中140℃干燥。确定最佳阻燃剂含量。

浸渍工艺流程图如图1所示。

1.4 性能测定

1.4.1 纸张物理性能的测定

纸张厚度依据国家标准GB/T 451.3—2002 测定；纸张定量依据国家标准GB/T 451.2—2002 测定；纸张抗张强度依据国家标准GB/T 12914—2018测定。

1.4.2 纸张阻燃性能的测定

图1 浸渍工艺流程图

纸张的阻燃性能参照GB/T 14656—2009标准测定，将样品裁成（210×70）mm的尺寸，垂直固定在燃烧箱的夹子上，调整火焰高度为2 cm，点火5 s后移走火焰，最后以炭化长度（炭化后，样品强度明显发生变化的部分）来区分等级，阻燃性能的种类和要求如表1所示[23]。

表1 阻燃性能的种类和要求

1.4.3 纸张吸音性能的测定

参照GB/T 18696.2—2002 和ISO 10534—2:2001标准测定纸张的吸音系数，测定示意图如图2 所示。将样品粘贴于板厚度为1 mm、孔径为3 mm、穿孔率为18%的铝合金穿孔板上测定其吸音性能，设置空腔为25 mm，测定频率为125～6300 Hz。

2 结果与讨论

2.1 玄武岩纤维分散性和形态分析

2.1.1 玄武岩纤维形态分析

玄武岩纤维的长度和宽度测定结果分别如图3 和图4 所示。从图3 可以看出，玄武岩纤维的平均长度主要分布在6～12 mm，所占百分比为73.3%，平均长度为10 mm。从图4 可以看出，玄武岩纤维的平均宽度范围主要分布在5～15 μm，所占百分比为74.5%，玄武岩纤维的平均宽度为11.8 μm。

图3 玄武岩纤维的长度分布

图4 玄武岩纤维的宽度分布

2.1.2 玄武岩纤维分散性

玄武岩纤维亲水性较差，沉降速度快，容易絮聚，分散较为困难，需加入一定量的分散剂。实验研究了不同分散剂用量对玄武岩纤维沉降指数和沉降时间的影响，结果如图5 所示。由图5 可知，随着分散剂用量的增加，玄武岩纤维的沉降时间、沉降指数均在不断上升，当分散剂用量为0.006%时，玄武岩纤维的分散性能达到最佳，沉降时间从7 min 增加到14 min，沉降指数从0.08增大到0.23。图6为玄武岩纤维的分散效果图。从图6可以看出，当分散剂用量为0.006%时，玄武岩纤维呈单根分散状态，没有明显的絮聚团，容易形成均匀分散的纤维悬浮液。

图5 分散剂用量对玄武岩纤维沉降指数和沉降时间的影响

图6 玄武岩纤维分散效果图

2.2 吸音阻燃纸的制备工艺优化研究

2.2.1 湿纸干度对浸渍工艺的影响

吸音阻燃纸制备中的后续浸渍工艺采用的是湿态浸渍，但由于玄武岩纤维表面光滑，无分丝帚化现象，纤维表面也没有可以形成氢键的羟基，所以在成形时无法自然产生强度，因此抄造的湿纸强度低，浸渍过程中容易出现纸幅破损和黏网现象。实验研究了湿纸干度对浸渍工艺的影响，以期提高湿纸强度，并有利于吸收浸渍液，结果如图7所示。由图7可知，随着湿纸干度的提高，含胶量逐渐增加，松厚度不断减小。湿纸干度达到30%时，其含胶量相比湿纸干度10%时增加了4.5%，松厚度由4.75 cm3/g下降至4.68 cm3/g。当湿纸干度超过30%时，松厚度下降幅度增大，湿纸干度达到50%时，松厚度下降至4.21 cm3/g，相比湿纸干度10%时下降了11.4%，这说明湿纸干度和含胶量的增加对松厚度均有负面影响，综合考虑确定湿纸干度为30%。

图7 湿纸干度对浸渍工艺的影响

图8 黏结剂用量对吸音阻燃纸物理性能的影响

2.2.2 黏结剂用量对吸音阻燃纸物理性能的影响

黏结剂用量对吸音阻燃纸物理性能的影响如图8所示。由图8可知，随着黏结剂用量的增大，吸音阻燃纸的抗张强度逐渐增加，孔隙率不断减小。当黏结剂质量分数为6%，吸音阻燃纸的含胶量为14.9%时，抗张强度提高到1.23 kN/m，已经可以满足产品的指标要求（＞1 kN/m）。从图8还可以看出，当黏结剂用量从6%增加到8%时，含胶量从14.9%增加至23.6%，抗张强度虽然也随之增加，但吸音阻燃纸的孔隙率和松厚度都大幅下降，孔隙率从80.8%减小到61.1%，最大下降了24.4%；松厚度从4.80 cm3/g降低到3.91 cm3/g，最大下降了18.5%。这是因为随着含胶量的增大，胶液不仅附着在玄武岩纤维与植物纤维之间，而且渗透到孔隙内部，造成湿纸的松厚度和孔隙率降低，进而导致吸音阻燃纸的吸音性能下降。综合考虑，确定吸音阻燃纸的含胶量为14.9%。

2.2.3 阻燃剂含量对吸音阻燃纸性能的影响

阻燃剂含量对吸音阻燃纸性能的影响如表2所示。由表2可知，阻燃剂的加入对吸音阻燃纸的松厚度和孔隙率的影响不大，但随着阻燃剂含量增大，其抗张强度逐渐下降。在阻燃剂质量分数为4%时，吸音阻燃纸的含胶量为14.9%，阻燃剂含量为11.63%，阻燃效果可达到1级阻燃标准，抗张强度为1.03 kN/m，可以满足产品的要求。综合考虑，确定阻燃剂含量为11.63%。

表2 阻燃剂含量对吸音阻燃纸性能的影响

2.3 吸音阻燃纸的形貌分析

对吸音阻燃纸进行SEM和EDS表征，表征结果见图9。从图9(b)中可以看出，黏结剂主要是以乳胶状的形态填充在植物纤维与玄武岩纤维之间，通过增强纤维间的结合强度来增大成纸的抗张强度。由图9(c)中可以看出，阻燃剂呈颗粒状结构，且尺寸较小，玄武岩纤维呈圆筒状，其表面光滑，不易吸附阻燃剂，阻燃剂主要分布于植物纤维表面，起到保护植物纤维避免其燃烧的作用。从图9(d)阻燃剂的EDS分析可知，阻燃剂类型为磷氮系阻燃剂，其在燃烧时会分解并释放出氮气、二氧化碳以及其他不燃性气体，不仅稀释了因纤维燃烧产生的可燃气体的浓度，同时降低了火焰中心区域氧气的浓度，使其难以燃烧，从而达到阻燃效果。

2.4 吸音阻燃纸的热稳定性分析

图10 所示分别为空白纸样、浸渍黏结剂纸样和吸音阻燃纸纸样的热重曲线图。由图10 可以看出，空白纸样在温度为310℃时开始出现大量的质量损失，总质量损失率在65%左右，这主要是由于植物纤维中半纤维素和纤维素降解热挥发造成的质量损失。由图10 还可以看出，浸渍黏结剂纸样有两个明显的分解阶段，且第一阶段分解的开始温度和结束温度与空白纸样相近，但质量损失率明显减小，在30%左右。这是因为黏结剂覆盖在植物纤维表面，形成一层保护膜，从而阻碍了植物纤维的热降解。在360～420℃的第二分解阶段，黏结剂开始分解，纤维素的结晶区也完全被破坏，大量可燃物质在瞬间被热解喷发，纤维素热解阶段结束，总质量损失率与空白纸样相近。而吸音阻燃纸的热降解可以分为三个阶段：第一阶段为210～300℃，此阶段为吸音阻燃纸中的自由水和结晶水脱出过程；第二阶段为300～420℃，与空白纸样相比，质量损失速率明显下降，这是由于阻燃剂的存在使得纤维素半纤维的脱水反应大大提前。第三阶段为320～600℃，这一阶段质量损失接近平滑，质量损失率仅为15%。吸音阻燃纸分解温度的提高和总质量损失率的明显下降，说明阻燃剂有效地提高了吸音阻燃纸的热稳定性能和阻燃性能。

图9 吸音阻燃纸的SEM及EDS图

图10 3种纸样的热重曲线图

2.5 吸音阻燃纸的阻燃性能分析

表3 所示为吸音阻燃纸的阻燃性能测定结果。由表3 可知，当阻燃剂含量为11.63%时，炭化长度为43 mm，小于1 级阻燃炭化长度（50 mm），可以达到1级防火阻燃标准。

表3 吸音阻燃纸的阻燃性能测定结果

2.6 吸音阻燃纸的吸音性能分析

表4为不同纸样的松厚度和孔隙率对吸音性能的影响。图11为不同纸样的吸音性能。从表4和图11可以看出，吸音阻燃纸的松厚度越高，孔隙率越大，其吸音性能越高。在声波进入材料内部时，声波的振动带动材料孔隙内的空气材料也产生运动，并且与孔壁发生摩擦，通过摩擦和黏滞力的作用，绝大多数声能转化为热能，从而使声波衰减，反射声较弱，达到吸音的目的。在吸音阻燃纸的含胶量为14.9%、阻燃剂含量为11.63%时，其孔隙率为75.6%，平均吸音系数为0.57，并且在频率达到3150 Hz时，吸音阻燃纸与阻抗管的刚性壁之间的空气层形成了共振吸声结构，在共振频率处出现最大吸音系数，最大吸音系数为0.84。

表4 不同纸样的松厚度和孔隙率对纸张吸音性能的影响

图11 不同纸样的吸音性能

2.7 吸音阻燃纸与常用吸音阻燃材料的性能对比

表5 为吸音阻燃纸与常用的吸音阻燃材料的性能参数对比。从表5可以看出，与目前市场上常用的纤维类吸音阻燃材料相比，吸音阻燃纸具有较好的中高频吸音性能，其防火等级可以达到1级阻燃标准，且产品质量较轻，在吸音效果相当的情况下，其定量为60 g/m2，比传统玻璃棉纤维材料轻约25 倍，厚度仅为0.25 mm，约为玻璃棉纤维材料的1/200，可大大降低运输和仓储的成本，并且制备工艺简单，透气性良好，可满足新型建筑装饰材料对于环保性、装饰性、阻燃性和吸音性能的更高要求。

表5 吸音阻燃纸与常用的纤维类吸音阻燃材料的性能参数对比

3 结 论

本研究以玄武岩纤维、漂白硫酸盐针叶木浆纤维为原料，通过湿法成形、浸渍黏结剂和阻燃剂，制备吸音阻燃纸。

3.1 当分散剂XYF 用量为0.006%时，玄武岩纤维的沉降时间从7 min 增加到14 min，沉降指数从0.08增大到0.23，玄武岩纤维分散性能最佳。

3.2 浸渍黏结剂和阻燃剂，吸音阻燃纸的松厚度和孔隙率降低幅度不大，在各项物理性能和阻燃性的要求下，吸音阻燃纸仍能保持较高的吸音性能。在针叶木纤维与玄武岩纤维配比为7∶3、湿纸干度为30%、浸渍时间30 s、干燥温度140℃、含胶量为14.9%、阻燃剂含量为11.63%的最佳制备条件下，定量60 g/m2的吸音阻燃纸的抗张强度为1.03 kN/m，孔隙率为75.60%，炭化长度为43 mm，阻燃效果可达到GB/T 14656—2009标准中的1级阻燃标准，吸音系数最高可达0.84。

3.3 与市场常用吸音阻燃材料相比，自制吸音阻燃纸除了具有优良的声学性能和阻燃性能外，其产品质地较轻，安装方便，可以广泛应用于室内装饰装修领域，具有广阔的市场前景和经济价值。