PDF《淀粉聚磷酸铵阻燃复合薄片的制备及燃烧热解特性》

收稿日期: 2019-01-09 基金项目: 安徽中烟工业有限责任公司科技项目(201834000034022)资助.

作者简介: 朱青林,工程师.E-mail:[email protected] * 通信作者: 朱晓兰,博士,副研究员.E-mail:[email protected];

胡永华,博士,高工.E-mail:[email protected] 安徽农业大学学报, 2019, 46(2): 375-382 Journal of Anhui Agricultural University [DOI] 10.13610/j.cnki.1672-352x.20190314.028 网络出版时间:2019/3/19 8:48:13 [URL] http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20190318.1516.007.html 淀粉聚磷酸铵阻燃复合薄片的制备及燃烧热解特性 朱青林 1,2 ,胡永华 1,2* ,邵宁3,汪 华2,侯 丽3,朱晓兰 1,3* (1. 安徽中烟-中国科大先研院化学与燃烧联合实验室,合肥 230066;

2. 安徽中烟工业有限责任公司技术研发中心,合肥 230088;

3. 中国科学技术大学烟草与健康研究中心,合肥 230052) 摘要:以淀粉和聚磷酸铵为阻燃材料,以薄片为底物采用喷丝和涂载两种方法制备了烟草阻燃复合薄片,研 究复合薄片的结构以及阻燃材料对薄片燃烧性能和热稳定性的影响.结果表明,与对照薄片相比,淀粉为 1%,聚 磷酸铵为 3%时复合薄片热释放速率峰值可降低 23.2%, 复合薄片在热解的前期的热重损失量由 56.24%下降至 30% 左右,而且在 850℃残留炭量增加了

2 倍以上;

进一步的热解气相产物分析也表明复合薄片燃烧后生成的大部分气 相产物相对含量都得到了不同程度的降低. 结论表明薄片经阻燃改性后不仅能在热解过程中形成稳定的焦炭层并延 缓了薄片的进一步热解,而且在燃烧过程中了热失重温度向高温区移动,降低了绝大部分气相产物的相对含量,此 项研究对于新型薄片和低危害卷烟的开发关键技术研究提供理论指导. 关键词:烟草薄片;

淀粉;

燃烧热解;

阻燃性能 中图分类号:TS425 文献标识码:A 文章编号:1672?352X (2019)02?0375?08 The preparation and thermal degradation and combustion behavior of flame-retardant starch-ammonium polyphosphate multilayer on reconstituted tobacco sheet ZHU Qinglin1,2 , HU Yonghua1,2 , SHAO Ning3 , WANG Hua2 , HOU Li3 , ZHU Xiaolan1,3 (1. Joint Lab of Chemistry &

Combustion, IATUSTC-CTAIC, Hefei 230066;

2. Technology Center of China Tobacco Anhui Industrial Corporation, Hefei 230088;

3. Research Center of Tobacco and Health, University of Science and Technology of China, Hefei 230052) Abstract: A reconstituted tobacco sheet (RTS) substrate has been coated with a flame retardant film, made from starch (ST) and ammonium polyphosphate (APP), elaborated by layer-by-layer and spray coating techniques to study the effect of flame retardant material on the combustion behavior and thermal degradation of ST-APP-RTS. The result showed that ST-APP-RTS (1% starch + 3%APP) showed obvious reductions of the peak heat release rate (23.2%) and the mass loss was decreased from 56.24% to about 30% at the second region of thermal degradation. The incorporation of starch and APP flame retardant film can greatly promoted the formation of tar and the amount of thermal residue at 850℃ increased

2 times compared with RTS. In addition, the presence of ST-APP coating changed the formation of evolved volatile products and formed less gaseous products during the thermal decomposition process, thus demonstrating the high reduction of temperature and flammability. Key words: reconstituted tobacco sheet;

starch;

combustion and thermal degradation;

flame retardants 烟草薄片又称重组烟叶、均质烟叶,主要由烟 末、碎片、烟梗或低次烟叶加入胶粘剂和其他添加 剂等组成.利用烟草薄片切成丝填充在烟丝中用作 卷烟原料,具有成本低、填充性好并能减少烟气中 焦油含量等优点,一直在行业广泛应用[1] .随着人 们对吸烟与健康问题的日益关注,卷烟消费者对卷 烟低焦少害提出了更高的要求, 烟气中有害物如CO 和羰基化合物等在主流烟气中的含量也受到严格的 控制.研究表明卷烟燃烧峰值温度越低,烟气中有 害物的含量越低[2] .因此如何降低卷烟燃烧峰值温 度及烟气中这些有害成分的释放量,已是国内外众 多烟草科技工作者共同关注的焦点.

376 安徽农业大学学报2019 年 膨胀阻燃技术是

20 世纪

90 年代中期发展起来 的新型阻燃技术[3-5] ,阻燃时表面可以形成膨胀炭 层,隔热隔氧,降低燃烧温度,已成为当前阻燃领 域最活跃的研究内容之一,具有十分广阔的发展前 景[6-7] . 膨胀阻燃剂主要通过形成多孔膨胀炭层而在 凝聚相起阻燃作用,主要分磷氮类阻燃剂和可膨胀 石墨两类. 磷氮类阻燃剂主要由

3 部分组成: 酸源、 炭源和气源,传统的助燃剂中作为炭源使用的材料 多为石油裂解后产生的多羟基类化合物,如季戊四 醇等[8] .然而,随着人们对于能源的过度依赖和消 耗,石油资源日益枯竭,人们将目光逐渐转移到了 多羟基结构和多芳香环结构的天然高分子材料上, 常见用于阻燃的天然高分子主要有环糊精、 甲壳素、 壳聚糖、淀粉、木质素等高分子材料[9-11] .探索新 型天然高分子炭源和酸源,不仅具有环保、成本低 等优点,还可以降低燃烧峰值温度及烟气中有害气 体的释放量. 淀粉是一种来源广泛的天然高分子化合物,已 应用于许多领域,但由于天然淀粉物理化学性质具 有一定的局限性,可以利用热、酸、碱、氧化剂、 酶制剂等改变天然淀粉的物化性质, 得到变性淀粉, 其中酯化淀粉是应用最为广泛的一类,尤其是淀粉 磷酸脂,在食品工业、造纸工业、纺织行业和其他 行业都具有广泛的应用[12-13] .作为烤烟中一种重要 的碳水化合物,淀粉含量的高低影响着烟叶的外观 和内在品质以及卷烟的香吃味[14] . 聚磷酸铵 (APP) 又称多聚磷酸铵, 无毒无味, 可以兼做酸源和气源, 磷氮体系产生协同效应,不产生腐蚀气体,吸湿性 小, 热稳定性高, 是一种性能优良的非卤阻燃剂[15] . 目前这种淀粉体系的环保型阻燃材料已开始受到人 们广泛关注[16] . 本研究以天然高分子淀粉和聚磷酸铵为膨胀阻 燃材料原料,以烟草薄片为基体,研究淀粉阻燃复 合薄片的制备及其燃烧热解性能,对于新型薄片的 开发及降低卷烟中有害物的研究都具有重要应用价 值和现实意义.

1 材料与方法 1.1 材料与试剂 淀粉 (ST, 98%,Mn>

60 000) 、 聚磷酸铵 (APP, 98%,n>

1 000, Mn>

208 000)购自上海百灵威化 学品公司.盐酸和氢氧化钠购自国药集团化学试剂 有限公司, 冰醋酸购自上海润捷化学试剂有限公司, 所有试剂均采购后直接使用.对照薄片样品取自安 徽中烟工业公司,薄片样于 40℃烘箱中干燥

4 h 后 备用,热重-红外和微燃烧量热分析需要预先粉碎, 扫描电镜分析直接裁取相应尺寸选用. 小型设备有 HHS11-2 型恒温水浴锅;

D2010W 型电动搅拌器;

SL234 型电子天平 (感量: 0.000

1 g, 美国 Denver 公司) ;

FZ102 型植物粉碎机;

DZF 型真空干燥箱;

DHG-9140A 电热恒温鼓风干燥箱. 图1涂载法(a)和喷........