徐永建 李 偉 劉 燕

（陜西科技大學輕工科學與工程學院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，輕化工程國家級實驗教學示范中心，中國輕工業(yè)紙基功能材料重點實驗室，陜西西安，710021）

吸音阻燃特種材料的研究與應用對于噪聲污染的治理和火災預防具有十分重要的意義。玄武巖纖維是由工業(yè)廢渣或天然巖石通過熔融法離心噴絲制得的一種無機纖維，具有化學穩(wěn)定性好、機械性能好、耐高溫和阻燃性能好等優(yōu)點[1]。而無機纖維也是目前聲學工程中使用的主要材料之一[2-4]，對于降低噪聲污染和改善室內(nèi)音質(zhì)等方面都有良好的效果。這類材料不僅吸音性能良好，而且質(zhì)輕、不燃，但其安裝不便，在施工時容易卷曲、折斷和散落，從而對環(huán)境造成污染，并危害到人們的身體健康[5]。隨后，具有阻燃、耐高溫和高強度等特點的金屬纖維吸音材料問世，其吸音性能優(yōu)異[6]，但造價較高，工藝復雜。隨著人們對纖維類吸音材料性能要求的不斷提高，以及對資源節(jié)約、環(huán)境保護意識的日益強烈，設計開發(fā)高吸音性能的新型纖維、制備纖維吸音復合材料，成為纖維吸音材料的發(fā)展趨勢[7-9]。Yang等人[10]將稻草和木材纖維混合，質(zhì)量比為1∶9 和2∶8，制備的多孔復合材料的音頻范圍在500～8000 Hz，吸音性能優(yōu)于傳統(tǒng)的纖維板、膠合板和刨花板。王軍鋒等人[11]以木質(zhì)纖維和聚酯纖維為原料，異氰酸酯為膠黏劑，采用聚合物發(fā)泡和人造板工藝制備了木質(zhì)纖維/聚酯纖維復合吸音材料，吸音系數(shù)高達0.7。

在某些情況下，纖維類吸音材料只具備吸音性能是遠遠不夠的，需要同時具備質(zhì)輕、阻燃、易降解等特性[12-14]。只有纖維吸音材料達到多功能化，才能得到更廣泛的應用[15-18]。而吸音阻燃紙主要用于室內(nèi)的裝飾裝修，植物纖維的可燃性就決定了對材料的防火阻燃性有特殊的要求。目前，阻燃技術(shù)已進入一個新的發(fā)展階段，朝著高效、經(jīng)濟、環(huán)保型方向發(fā)展[19-21]。低的火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒌蜔?、低毒是對阻燃劑的基本要求，而且要求阻燃劑高效，添加量小。阻燃材料還需具有以下性能[22]：①尺寸穩(wěn)定性好；②不增加吸濕性；③具有較好的耐水性和耐久性；④熱處理時變黃和強度降低要少。

玄武巖纖維/植物纖維復合材料是一種兼有吸音和阻燃特性的新型材料，可以與穿孔天花板配合使用，也可以作為密封材料應用于多種建材領(lǐng)域。近年來，隨著科技的進步和社會的發(fā)展，人們對于生活環(huán)境逐漸向著安全、舒適、環(huán)保的方向發(fā)展，對于建筑材料的性能要求也越來越高。玄武巖纖維/植物纖維復合材料可以在較寬的頻帶內(nèi)有良好的吸音效果，完全可以替代以離心玻璃棉為代表的傳統(tǒng)多孔吸聲材料等，這種同時具備環(huán)保性、阻燃性、裝飾性的吸音材料將會越來越多地得到市場的認可，具有廣闊的市場前景和經(jīng)濟價值。

本研究以玄武巖纖維、漂白硫酸鹽針葉木漿纖維為原料，通過濕法成形，浸漬黏結(jié)劑和阻燃劑，制備吸音阻燃紙。探究礦物纖維分散性、濕紙干度、黏結(jié)劑和阻燃劑用量等因素對吸音阻燃紙性能的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

漂白硫酸鹽針葉木漿，廣西鳳凰紙業(yè)提供；玄武巖纖維，咸陽美特環(huán)保有限公司提供；分散劑XYF，咸陽美特環(huán)保有限公司提供；黏結(jié)劑（A01），山東優(yōu)索化工科技有限公司提供；2122 型阻燃劑(FR)，煙臺艾弗爾化工科技有限公司提供。

1.2 儀器及設備

纖維質(zhì)量分析儀（Techpap，法國）；紙頁成型器（TD10-H，咸陽通達輕工設備有限公司）；紙漿標準解離機（ZBJ-1，長春市紙張試驗機廠）；掃描電子顯微鏡（S4800，日本HITACHI 公司）；熱重分析儀（STA449F3，德國耐馳儀器制造有限公司）；阻燃垂直燃燒測定儀（KS-50B，泰思泰克檢測儀器科技有限公司）；阻抗管（SW422、SW477，北京聲望聲電技術(shù)有限公司）。

1.3 實驗方法

1.3.1 玄武巖纖維分散

配制漿濃為0.03%玄武巖纖維漿料，加入用量分別為0.002%、0.004%、0.006%的分散劑（相對于絕干漿），疏解10000 轉(zhuǎn)，備用。觀察玄武巖纖維的分散效果，并測定玄武巖纖維的沉降時間、沉降指數(shù)。采用MorFi 纖維質(zhì)量分析儀測定玄武巖纖維長度、寬度等纖維形態(tài)特征參數(shù)。

1.3.2 濕紙干度的確定

抄片：取打漿度為15.0°SR的針葉木漿，按照一定比例與玄武巖纖維漿混合，同時加入一定量的分散劑，疏解10000轉(zhuǎn)，制成均勻的紙漿懸浮液用于抄片。

濕紙干度的確定：固定黏結(jié)劑溶液質(zhì)量分數(shù)為4%，將不同干度的濕紙浸漬30 s，在140℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥，研究濕紙干度對浸漬工藝的影響，以確定最佳濕紙干度。

1.3.3 黏結(jié)劑用量研究

配制質(zhì)量分數(shù)為2%、4%、6%、8%的黏結(jié)劑溶液，將一定定量的濕紙在不同質(zhì)量分數(shù)的黏結(jié)劑溶液中浸漬30 s，在140℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥。確定最佳的紙張含膠量，制備吸音阻燃紙。

1.3.4 阻燃劑用量研究

配制質(zhì)量分數(shù)為2%、3%、4%、5%的阻燃劑溶液，將上述1.3.2 制得的濕紙在不同質(zhì)量分數(shù)的阻燃劑溶液中浸漬30 s，在電熱恒溫鼓風干燥箱中140℃干燥。確定最佳阻燃劑含量。

浸漬工藝流程圖如圖1所示。

1.4 性能測定

1.4.1 紙張物理性能的測定

紙張厚度依據(jù)國家標準GB/T 451.3—2002 測定；紙張定量依據(jù)國家標準GB/T 451.2—2002 測定；紙張抗張強度依據(jù)國家標準GB/T 12914—2018測定。

1.4.2 紙張阻燃性能的測定

圖1 浸漬工藝流程圖

紙張的阻燃性能參照GB/T 14656—2009標準測定，將樣品裁成（210×70）mm的尺寸，垂直固定在燃燒箱的夾子上，調(diào)整火焰高度為2 cm，點火5 s后移走火焰，最后以炭化長度（炭化后，樣品強度明顯發(fā)生變化的部分）來區(qū)分等級，阻燃性能的種類和要求如表1所示[23]。

表1 阻燃性能的種類和要求

1.4.3 紙張吸音性能的測定

參照GB/T 18696.2—2002 和ISO 10534—2:2001標準測定紙張的吸音系數(shù)，測定示意圖如圖2 所示。將樣品粘貼于板厚度為1 mm、孔徑為3 mm、穿孔率為18%的鋁合金穿孔板上測定其吸音性能，設置空腔為25 mm，測定頻率為125～6300 Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖纖維分散性和形態(tài)分析

2.1.1 玄武巖纖維形態(tài)分析

玄武巖纖維的長度和寬度測定結(jié)果分別如圖3 和圖4 所示。從圖3 可以看出，玄武巖纖維的平均長度主要分布在6～12 mm，所占百分比為73.3%，平均長度為10 mm。從圖4 可以看出，玄武巖纖維的平均寬度范圍主要分布在5～15 μm，所占百分比為74.5%，玄武巖纖維的平均寬度為11.8 μm。

圖3 玄武巖纖維的長度分布

圖4 玄武巖纖維的寬度分布

2.1.2 玄武巖纖維分散性

玄武巖纖維親水性較差，沉降速度快，容易絮聚，分散較為困難，需加入一定量的分散劑。實驗研究了不同分散劑用量對玄武巖纖維沉降指數(shù)和沉降時間的影響，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，隨著分散劑用量的增加，玄武巖纖維的沉降時間、沉降指數(shù)均在不斷上升，當分散劑用量為0.006%時，玄武巖纖維的分散性能達到最佳，沉降時間從7 min 增加到14 min，沉降指數(shù)從0.08增大到0.23。圖6為玄武巖纖維的分散效果圖。從圖6可以看出，當分散劑用量為0.006%時，玄武巖纖維呈單根分散狀態(tài)，沒有明顯的絮聚團，容易形成均勻分散的纖維懸浮液。

圖5 分散劑用量對玄武巖纖維沉降指數(shù)和沉降時間的影響

圖6 玄武巖纖維分散效果圖

2.2 吸音阻燃紙的制備工藝優(yōu)化研究

2.2.1 濕紙干度對浸漬工藝的影響

吸音阻燃紙制備中的后續(xù)浸漬工藝采用的是濕態(tài)浸漬，但由于玄武巖纖維表面光滑，無分絲帚化現(xiàn)象，纖維表面也沒有可以形成氫鍵的羥基，所以在成形時無法自然產(chǎn)生強度，因此抄造的濕紙強度低，浸漬過程中容易出現(xiàn)紙幅破損和黏網(wǎng)現(xiàn)象。實驗研究了濕紙干度對浸漬工藝的影響，以期提高濕紙強度，并有利于吸收浸漬液，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著濕紙干度的提高，含膠量逐漸增加，松厚度不斷減小。濕紙干度達到30%時，其含膠量相比濕紙干度10%時增加了4.5%，松厚度由4.75 cm3/g下降至4.68 cm3/g。當濕紙干度超過30%時，松厚度下降幅度增大，濕紙干度達到50%時，松厚度下降至4.21 cm3/g，相比濕紙干度10%時下降了11.4%，這說明濕紙干度和含膠量的增加對松厚度均有負面影響，綜合考慮確定濕紙干度為30%。

圖7 濕紙干度對浸漬工藝的影響

圖8 黏結(jié)劑用量對吸音阻燃紙物理性能的影響

2.2.2 黏結(jié)劑用量對吸音阻燃紙物理性能的影響

黏結(jié)劑用量對吸音阻燃紙物理性能的影響如圖8所示。由圖8可知，隨著黏結(jié)劑用量的增大，吸音阻燃紙的抗張強度逐漸增加，孔隙率不斷減小。當黏結(jié)劑質(zhì)量分數(shù)為6%，吸音阻燃紙的含膠量為14.9%時，抗張強度提高到1.23 kN/m，已經(jīng)可以滿足產(chǎn)品的指標要求（＞1 kN/m）。從圖8還可以看出，當黏結(jié)劑用量從6%增加到8%時，含膠量從14.9%增加至23.6%，抗張強度雖然也隨之增加，但吸音阻燃紙的孔隙率和松厚度都大幅下降，孔隙率從80.8%減小到61.1%，最大下降了24.4%；松厚度從4.80 cm3/g降低到3.91 cm3/g，最大下降了18.5%。這是因為隨著含膠量的增大，膠液不僅附著在玄武巖纖維與植物纖維之間，而且滲透到孔隙內(nèi)部，造成濕紙的松厚度和孔隙率降低，進而導致吸音阻燃紙的吸音性能下降。綜合考慮，確定吸音阻燃紙的含膠量為14.9%。

2.2.3 阻燃劑含量對吸音阻燃紙性能的影響

阻燃劑含量對吸音阻燃紙性能的影響如表2所示。由表2可知，阻燃劑的加入對吸音阻燃紙的松厚度和孔隙率的影響不大，但隨著阻燃劑含量增大，其抗張強度逐漸下降。在阻燃劑質(zhì)量分數(shù)為4%時，吸音阻燃紙的含膠量為14.9%，阻燃劑含量為11.63%，阻燃效果可達到1級阻燃標準，抗張強度為1.03 kN/m，可以滿足產(chǎn)品的要求。綜合考慮，確定阻燃劑含量為11.63%。

表2 阻燃劑含量對吸音阻燃紙性能的影響

2.3 吸音阻燃紙的形貌分析

對吸音阻燃紙進行SEM和EDS表征，表征結(jié)果見圖9。從圖9(b)中可以看出，黏結(jié)劑主要是以乳膠狀的形態(tài)填充在植物纖維與玄武巖纖維之間，通過增強纖維間的結(jié)合強度來增大成紙的抗張強度。由圖9(c)中可以看出，阻燃劑呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，且尺寸較小，玄武巖纖維呈圓筒狀，其表面光滑，不易吸附阻燃劑，阻燃劑主要分布于植物纖維表面，起到保護植物纖維避免其燃燒的作用。從圖9(d)阻燃劑的EDS分析可知，阻燃劑類型為磷氮系阻燃劑，其在燃燒時會分解并釋放出氮氣、二氧化碳以及其他不燃性氣體，不僅稀釋了因纖維燃燒產(chǎn)生的可燃氣體的濃度，同時降低了火焰中心區(qū)域氧氣的濃度，使其難以燃燒，從而達到阻燃效果。

2.4 吸音阻燃紙的熱穩(wěn)定性分析

圖10 所示分別為空白紙樣、浸漬黏結(jié)劑紙樣和吸音阻燃紙紙樣的熱重曲線圖。由圖10 可以看出，空白紙樣在溫度為310℃時開始出現(xiàn)大量的質(zhì)量損失，總質(zhì)量損失率在65%左右，這主要是由于植物纖維中半纖維素和纖維素降解熱揮發(fā)造成的質(zhì)量損失。由圖10 還可以看出，浸漬黏結(jié)劑紙樣有兩個明顯的分解階段，且第一階段分解的開始溫度和結(jié)束溫度與空白紙樣相近，但質(zhì)量損失率明顯減小，在30%左右。這是因為黏結(jié)劑覆蓋在植物纖維表面，形成一層保護膜，從而阻礙了植物纖維的熱降解。在360～420℃的第二分解階段，黏結(jié)劑開始分解，纖維素的結(jié)晶區(qū)也完全被破壞，大量可燃物質(zhì)在瞬間被熱解噴發(fā)，纖維素熱解階段結(jié)束，總質(zhì)量損失率與空白紙樣相近。而吸音阻燃紙的熱降解可以分為三個階段：第一階段為210～300℃，此階段為吸音阻燃紙中的自由水和結(jié)晶水脫出過程；第二階段為300～420℃，與空白紙樣相比，質(zhì)量損失速率明顯下降，這是由于阻燃劑的存在使得纖維素半纖維的脫水反應大大提前。第三階段為320～600℃，這一階段質(zhì)量損失接近平滑，質(zhì)量損失率僅為15%。吸音阻燃紙分解溫度的提高和總質(zhì)量損失率的明顯下降，說明阻燃劑有效地提高了吸音阻燃紙的熱穩(wěn)定性能和阻燃性能。

圖9 吸音阻燃紙的SEM及EDS圖

圖10 3種紙樣的熱重曲線圖

2.5 吸音阻燃紙的阻燃性能分析

表3 所示為吸音阻燃紙的阻燃性能測定結(jié)果。由表3 可知，當阻燃劑含量為11.63%時，炭化長度為43 mm，小于1 級阻燃炭化長度（50 mm），可以達到1級防火阻燃標準。

表3 吸音阻燃紙的阻燃性能測定結(jié)果

2.6 吸音阻燃紙的吸音性能分析

表4為不同紙樣的松厚度和孔隙率對吸音性能的影響。圖11為不同紙樣的吸音性能。從表4和圖11可以看出，吸音阻燃紙的松厚度越高，孔隙率越大，其吸音性能越高。在聲波進入材料內(nèi)部時，聲波的振動帶動材料孔隙內(nèi)的空氣材料也產(chǎn)生運動，并且與孔壁發(fā)生摩擦，通過摩擦和黏滯力的作用，絕大多數(shù)聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲波衰減，反射聲較弱，達到吸音的目的。在吸音阻燃紙的含膠量為14.9%、阻燃劑含量為11.63%時，其孔隙率為75.6%，平均吸音系數(shù)為0.57，并且在頻率達到3150 Hz時，吸音阻燃紙與阻抗管的剛性壁之間的空氣層形成了共振吸聲結(jié)構(gòu)，在共振頻率處出現(xiàn)最大吸音系數(shù)，最大吸音系數(shù)為0.84。

表4 不同紙樣的松厚度和孔隙率對紙張吸音性能的影響

圖11 不同紙樣的吸音性能

2.7 吸音阻燃紙與常用吸音阻燃材料的性能對比

表5 為吸音阻燃紙與常用的吸音阻燃材料的性能參數(shù)對比。從表5可以看出，與目前市場上常用的纖維類吸音阻燃材料相比，吸音阻燃紙具有較好的中高頻吸音性能，其防火等級可以達到1級阻燃標準，且產(chǎn)品質(zhì)量較輕，在吸音效果相當?shù)那闆r下，其定量為60 g/m2，比傳統(tǒng)玻璃棉纖維材料輕約25 倍，厚度僅為0.25 mm，約為玻璃棉纖維材料的1/200，可大大降低運輸和倉儲的成本，并且制備工藝簡單，透氣性良好，可滿足新型建筑裝飾材料對于環(huán)保性、裝飾性、阻燃性和吸音性能的更高要求。

表5 吸音阻燃紙與常用的纖維類吸音阻燃材料的性能參數(shù)對比

3 結(jié) 論

本研究以玄武巖纖維、漂白硫酸鹽針葉木漿纖維為原料，通過濕法成形、浸漬黏結(jié)劑和阻燃劑，制備吸音阻燃紙。

3.1 當分散劑XYF 用量為0.006%時，玄武巖纖維的沉降時間從7 min 增加到14 min，沉降指數(shù)從0.08增大到0.23，玄武巖纖維分散性能最佳。

3.2 浸漬黏結(jié)劑和阻燃劑，吸音阻燃紙的松厚度和孔隙率降低幅度不大，在各項物理性能和阻燃性的要求下，吸音阻燃紙仍能保持較高的吸音性能。在針葉木纖維與玄武巖纖維配比為7∶3、濕紙干度為30%、浸漬時間30 s、干燥溫度140℃、含膠量為14.9%、阻燃劑含量為11.63%的最佳制備條件下，定量60 g/m2的吸音阻燃紙的抗張強度為1.03 kN/m，孔隙率為75.60%，炭化長度為43 mm，阻燃效果可達到GB/T 14656—2009標準中的1級阻燃標準，吸音系數(shù)最高可達0.84。

3.3 與市場常用吸音阻燃材料相比，自制吸音阻燃紙除了具有優(yōu)良的聲學性能和阻燃性能外，其產(chǎn)品質(zhì)地較輕，安裝方便，可以廣泛應用于室內(nèi)裝飾裝修領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景和經(jīng)濟價值。