硼酸鋅和聚磷酸銨在木材阻燃中的成炭作用和抑煙作用.pdf

1、木質(zhì)材料是四大建筑材料(鋼筋、混凝土、塑料、木質(zhì)材料)之一，廣泛用于建筑、家具等工作和生活環(huán)境中。但是木材易燃，許多火災(zāi)的發(fā)生和蔓延都與木材有關(guān)。深入開展木材阻燃機理研究和開發(fā)木材阻燃技術(shù)是保障人民生命財產(chǎn)安全的需要。成炭作用對木材的燃燒熱、火勢蔓延、氧指數(shù)等燃燒性能都具有決定性的影響，而且也是保持木材結(jié)構(gòu)和強度的前提和基礎(chǔ)；火災(zāi)中的煙霧和毒氣不僅妨礙消防施救，而且是導(dǎo)致人員傷亡的首要原因。因此，成炭作用和抑煙作用是木材阻燃機理研究的關(guān)

2、鍵問題。針對硼酸鋅和聚磷酸銨在木材阻燃中的成炭作用和抑煙作用進行系統(tǒng)研究，對于豐富木材阻燃理論具有重要意義。 首先，利用氧化鋅和硼酸通過固相研磨反應(yīng)制備了硼酸鋅超微粒子。x-射線衍射、掃描電鏡和能譜分析表明，硼酸鋅的粒徑小于30nm，接近于無定形結(jié)構(gòu)。硼酸與氧化鋅之間的固相反應(yīng)對于硼酸和氧化鋅粒徑的變小具有促進作用。通過固相研磨所獲得的硼酸鋅微粒的表面沒有吸附溶劑和表面活性劑，具有較高的表面活性和表面效應(yīng)；固相反應(yīng)合成的超細硼酸

3、鋅阻燃劑是多種組成、多種晶相的復(fù)合體；不同組成和晶形的硼酸鋅，受熱時將在不同溫度下失水和發(fā)揮阻燃作用，因此，在阻燃過程中具有復(fù)合阻燃效應(yīng)；利用氧化鋅和硼酸固相合成超細硼酸鋅阻燃劑，不存在除雜等麻煩工序，沒有溶劑蒸發(fā)帶來的團聚問題，是一種極其簡便的制備鹽類納米粒子的有效方法之一。 其次，對于磷酸和尿素縮聚反應(yīng)制備聚磷酸銨的工藝條件進行了優(yōu)化。聚磷酸銨的最佳合成條件是：磷酸∶尿素摩爾比為1∶1.8，預(yù)聚合溫度124±2℃(反應(yīng)25m

4、in)，固化溫度230℃～240℃，聚合固化時間為140min左右。聚磷酸銨的聚合度為23.3(文獻值為20～30)，溶解度為0.67g/100mL水。 采用灼燒成炭實驗、熱重分析、錐形量熱法、點著溫度、氧指數(shù)等方法測定和評價了硼酸鋅、聚磷酸銨、四溴雙酚A、氧化鋅、硼酸及其復(fù)合阻燃劑對楊木的阻燃作用和抑煙作用。結(jié)合電鏡觀察、高溫x-射線衍射分析、傅立葉變換紅外光譜、Py-GC-MS分析結(jié)果，分析和討論了硼酸鋅和聚磷酸銨的阻燃機理

5、。 研究發(fā)現(xiàn)，硼酸鋅不僅阻礙木材燃燒放熱、減少木材質(zhì)量損失，而且具有非常強的抑制煙霧和毒氣的作用。聚磷酸銨催化木材成炭阻燃的作用非常強，能減少木材燃燒放熱速度，使木材的極限氧指數(shù)大幅度增加，但同時也催化產(chǎn)生大量煙霧和毒氣。硼酸鋅與聚磷酸銨形成的復(fù)合阻燃劑，既能阻燃，也能抑煙。 通過研究硼酸鋅和聚磷酸銨阻燃處理楊木粉的TG-DTA-T曲線發(fā)現(xiàn)，阻燃處理楊木粉有不同于未阻燃處理楊木粉的5個重要特征：木炭爆燃過程消失，放熱峰變

6、小，300℃前失重較快而300℃后成炭較多，熱解反應(yīng)提前、峰溫下降，干燥階段的失重變化與阻燃劑的吸濕性相關(guān)。硼酸鋅和聚磷酸銨阻燃處理楊木碎料板的錐形量熱研究發(fā)現(xiàn)，阻燃劑的催化成炭作用使木材有焰燃燒階段的失重、放熱、產(chǎn)生CO2和煙霧的過程提前，但是木炭紅熱燃燒階段的失重、放熱、CO2濃度、煙霧密度等相關(guān)峰的出峰時間推遲；阻燃處理木材的兩個階段相關(guān)峰的強度都有不同程度降低，表明阻燃木材有焰燃燒和木炭紅熱燃燒的劇烈程度都有所下降；硼酸鋅的吸附

7、催化作用可以大幅度降低煙霧和CO的濃度和產(chǎn)量，聚磷酸銨的氣相阻燃作用導(dǎo)致煙霧和CO的濃度和產(chǎn)量增加。 首次提出了成炭阻燃和抑制煙霧毒氣的吸附催化理論。聚磷酸銨溶解進入木材組織中，在木材內(nèi)部催化木材分解和脫水成炭，聚磷酸銨受熱分解產(chǎn)生的氨氣、水蒸氣對木材分解產(chǎn)生的可燃性氣體和氧氣具有稀釋作用，聚磷酸銨分解產(chǎn)生的磷氧自由基可以阻斷鏈式燃燒反應(yīng)，從而減少燃燒放熱量，有效地減緩木材燃燒的劇烈程度；由于木材分解產(chǎn)物不能完全燃燒，因此，聚磷

8、酸銨在成炭阻燃的同時也催化產(chǎn)生大量的煙霧和毒氣。硼酸鋅以疏松的粉末狀態(tài)附著于木材表面，通過隔熱隔氣作用阻礙木材的燃燒反應(yīng)，通過吸附木材分解產(chǎn)生的可燃性氣體和聚磷酸銨分解產(chǎn)生的氣相阻燃氣體可以在木材表面形成一個高濃度的還原性氣相阻燃氣體保護層；硼酸鋅在吸附木材分解產(chǎn)物的同時也吸附空氣中的氧氣，因此，硼酸鋅可以催化木材分解產(chǎn)物完全氧化為二氧化碳，有效地降低尾氣中煙霧和毒氣的濃度。當硼酸鋅和聚磷酸銨形成復(fù)合阻燃劑時，各個組分以各自不同的阻燃機