木質(zhì)材料的性質(zhì)和阻燃劑對(duì)木質(zhì)材料的阻燃機(jī)理探究

李鴻淵

（寧夏建筑科學(xué)研究院有限公司 寧夏 銀川 750021）

木質(zhì)材料的性質(zhì)和阻燃劑對(duì)木質(zhì)材料的阻燃機(jī)理探究

李鴻淵

（寧夏建筑科學(xué)研究院有限公司 寧夏 銀川 750021）

火災(zāi)是人類社會(huì)安全的重大危害之一，特別是室內(nèi)火災(zāi)，直接危害人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，而木質(zhì)裝飾板材作為室內(nèi)裝修中的常用材料，是導(dǎo)致室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展和蔓延的客觀條件之一。

建材檢測(cè)；木質(zhì)材料；阻燃劑；熱解特性；表面溫度

0 引言

木質(zhì)材料屬于由纖維素為基質(zhì)物所構(gòu)成的材料，是工礦企業(yè)、民宅和各種建筑中不可缺少的建筑材料和裝飾材料，也是交通運(yùn)輸部門及包裝工業(yè)中廣泛采用的材料。木質(zhì)材料都是易燃的，大體上是山碳、氫、氧三種元素組成，碳和氫都是高度易燃元素。有研究表明：木質(zhì)結(jié)構(gòu)房屋在著火后5分鐘時(shí)溫度可達(dá)到500℃，在10分鐘后溫度猛增到700℃。當(dāng)火進(jìn)入到猛烈燃燒階段中，這類火災(zāi)是難于撲救的。

1 木質(zhì)材料的分類

1.1 實(shí)木

實(shí)木是有由多種復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)組成的復(fù)合體，其中絕大部分是高分子化合物的混合物，實(shí)木除了含有纖維素、半纖維素和木素之外，還含有水分和各種浸提物，包括石英砂、生物堿及有機(jī)弱酸等（單寧、醋酸、多元酚類化合物等弱酸）。常用的軟木主要有紅松、白松、樟子松、椴木、楊木等；常用的硬木主要有核桃木、黃菠蘿、樟木、揪木、楠木、水曲柳、槐木、袖木、紫檀、橡木等。

1.2 改性木材

改性木材是以實(shí)木為基材，利用實(shí)木的孔隙性對(duì)實(shí)木進(jìn)行涂刷、浸漬（或壓力浸注）藥物的方法或進(jìn)行加熱加壓的方法而制成的具有某一物理特性的材料。木質(zhì)復(fù)合材料則由木質(zhì)材料和塑料等其他材料復(fù)合而成。

人造板是利用實(shí)木或其加工剩余物經(jīng)過機(jī)械加工分離，再添加膠粘劑，高溫壓制而成。它是目前木質(zhì)材料中發(fā)展最快、使用最多和應(yīng)用最廣的一類產(chǎn)品，是現(xiàn)代木質(zhì)人造材料的主體。人造板工業(yè)能高效利用實(shí)木或其他植物纖維資源、緩解實(shí)木供需矛盾，是世界林產(chǎn)工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。近二十年，隨著世界人造板工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)人造板工業(yè)也得到了飛速的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)改革開放和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，據(jù)專家預(yù)測(cè)：我國(guó)人造板市場(chǎng)消耗量到2015年將達(dá)3300-4500萬方，在2001年人造板產(chǎn)量的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)約85%。

人造板材的品種非常多，常見的有膠合板、中密度纖維板、刨花板、細(xì)木工板、硬質(zhì)纖維板、裝飾用貼面板等。

2 木材的化學(xué)成分和熱解特性

2.1 化學(xué)組成

木材是一種主要由碳、氫、氧元素構(gòu)成高分子物質(zhì)，并含有少量的氮和其他元素，雖然構(gòu)成的元素較為簡(jiǎn)單，但是由這些元素構(gòu)成的化合物卻十分復(fù)雜。木材的化學(xué)組成可劃分為兩大部分：

1）主要組成：纖維素、半纖維素和木素。纖維素在木材中含量未40%-50%，半纖維素在木材中含量為20%-35%。二者為多糖類化合物，前者為己糖的均縮多糖，后者為己糖和戊糖的雜縮多糖，二者化學(xué)性質(zhì)相似，難以區(qū)分，所以把它們總稱為綜纖維素。木素在木材中含量為15%-35%，它是由芳香族化合物構(gòu)成，化學(xué)性質(zhì)較綜纖維素穩(wěn)定得多。

2）次要組成：灰分和抽提物?；曳忠卜Q礦物質(zhì)，它由Na、K、Ca、P、Fe等元素組成的無機(jī)化合物。通常，木材中灰分含量較少。抽提物是由脂肪族化合物（脂肪和蠟）、菇類化合物（又稱精油或揮發(fā)油，它是由多個(gè)異戊二烯結(jié)構(gòu)單元組成，存在于木材的樹脂管道中）、酚類（單寧、黃酮類等）組成。抽提物在木材貯存過程中容易失去。次要組成在木材中含量雖少，但對(duì)木材的燃燒性能影響較大。通常，抽提物含量大，木材易燃；灰分含量大，木材不易燃。

2.2 熱解和燃燒反應(yīng)

木材是主要是由纖維素、半纖維素、木素三種高分子化合物組成的。對(duì)木材加熱時(shí)，首先是水分析出階段，隨著溫度升高，半纖維素和纖維素先后發(fā)生分解，產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物，半纖維素的聚合度比纖維素小、結(jié)構(gòu)無定性、熱穩(wěn)定性比纖維素差，熱解相對(duì)容易。木素是芳香族化合物，化學(xué)活潑性較前兩者差，分解的溫度相對(duì)高，大部分分解為炭。木質(zhì)材料都是由纖維素基質(zhì)構(gòu)成，所以纖維素的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和熱解特性決定了木質(zhì)材料的燃燒過程。

纖維素的燃燒過程與引燃源及供氧情況有關(guān)。纖維素是固體物質(zhì)，通常不能直接燃燒，首先要進(jìn)行熱解，纖維素?zé)峤到鈺r(shí)，生成左旋葡聚糖，后者再脫水和熱裂解而進(jìn)一步生成焦油及可燃性氣體、液體和固體。當(dāng)可燃性氣體被引燃時(shí)，可促使液體和焦油揮發(fā)并形成更多的可燃性氣態(tài)產(chǎn)物，后者燃燒時(shí)產(chǎn)生炭殘?jiān)Ｈ紵龝?huì)持續(xù)進(jìn)行到只剩下炭殘?jiān)鼮橹??；鹣绾?，炭殘?jiān)捎诒砻鏈囟葮O高，遇到擴(kuò)散的氧被氧化并阻燃。

3 阻燃機(jī)理

3.1 吸熱作用

任何燃燒在較短的時(shí)間所放出的熱量是有限的，如果能在較短的時(shí)間吸收火源所放出的一部分熱量，那么火焰溫度就會(huì)降低，輻射到燃燒表而和作用于將已經(jīng)氣化的可燃分子裂解成自由基的熱量就會(huì)減少，燃燒反應(yīng)就會(huì)得到一定程度的抑制。在高溫條件下，阻燃劑發(fā)生了強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，吸收燃燒放出的部分熱量，降低可燃物表面的溫度，有效地抑制可燃性氣體的生成，阻止燃燒的蔓延。

3.2 覆蓋作用

在可燃材料中加入阻燃劑后，阻燃劑在高溫下能形成玻璃狀或穩(wěn)定泡沫覆蓋層，隔絕氧氣，具有隔熱、隔氧、阻止可燃?xì)怏w向外逸出的作用，從而達(dá)到阻燃目的。

3.3 抑制鏈反應(yīng)

根據(jù)燃燒的鏈反應(yīng)理論，維持燃燒所需的是自由基。阻燃劑可作用于氣相燃燒區(qū)，捕捉燃燒反應(yīng)中的自由基，從而阻止火焰的傳播，是燃燒區(qū)的火焰密度下降，最終使燃燒反應(yīng)速度下降直至終止。

3.4 不燃?xì)怏w窒息作用

阻燃劑受熱時(shí)分解出不燃?xì)怏w，可以稀釋可燃物分解出來的可燃?xì)怏w的濃度到燃燒下限以下。同時(shí)也對(duì)燃燒區(qū)內(nèi)的氧濃度具有稀釋作用，阻止了燃燒的繼續(xù)進(jìn)行，達(dá)到阻燃的作用。阻燃機(jī)理使人們對(duì)燃燒和阻燃有了更深刻的認(rèn)識(shí)，但燃燒和阻燃都是很復(fù)雜的過程，實(shí)際上某種阻燃體系的阻燃實(shí)現(xiàn)往往是幾種機(jī)理同時(shí)在起作用。

4 阻燃機(jī)理的評(píng)價(jià)方法

常用來評(píng)價(jià)阻燃機(jī)理的方法有錐形量熱儀（Cone calorimetry）法、熱分析方法（TG，DSC）、氧指數(shù)法（OI）、紅外光譜法（FTIR）、光電子能譜法（XPS）、核磁共振法（CMR）等等。

錐形量熱儀法可用來測(cè)定材料的熱釋放速率（HRR）、總熱釋放量 （THR）、有效燃燒熱 （EHC）、質(zhì)量損失速率（MLR）、煙釋放、引燃時(shí)間等等。 熱分析方法（TG，DSC）用來測(cè)定材料受熱時(shí)的分解溫度，失重情況及受熱過程中的熱效應(yīng)。

紅外光譜法（FTIR）可以測(cè)定材料表面化學(xué)鍵的變化。阻燃材料受熱時(shí)，隨著溫度的升高，F(xiàn)TIR譜圖中C-C鍵的峰增強(qiáng)，出現(xiàn)芳環(huán)峰，而C-O鍵合成C-H峰逐漸消失。

光電子能潛法（XPS）可以觀察材料表面物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)及元素組成與含量的變化。

核磁共振法（CMR）可以分析碳的結(jié)構(gòu)變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的早期階段并做出應(yīng)對(duì)，就會(huì)將火災(zāi)損失降到最低。事實(shí)上，在這一階段的特征主要與可燃物木身的物性有關(guān)，處于火源中心的各種物質(zhì)都以熱分解的方式在進(jìn)行較平緩的受熱行為。分析事故原因可以發(fā)現(xiàn)，可燃物燃燒時(shí)放出的煙氣和毒氣是火災(zāi)中造成特大傷亡的根本原因，因此對(duì)材料本身特性的熱解分析也是預(yù)防建筑等行業(yè)火災(zāi)發(fā)生的重要措施之一。

［1］王永強(qiáng).阻燃材料及應(yīng)用技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］陶麗英.常用可燃裝飾材料熱解規(guī)律研究[D].安徽理工大學(xué)，2007.

［3］田春明，高明，徐建中.改性木材的熱性能研究[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002（2）.

［4］徐國(guó)華，袁靖.常用熱分析儀器[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1990.

［5］劉燕吉，陳荔.木質(zhì)材料的阻燃劑[J].木材工業(yè)，1997，11(2)：37-41.

李鴻淵（1985—），男，畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)土木工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事建材檢測(cè)方面的工作。

周娜］