木材阻燃研究及發(fā)展趨勢

嘠力巴,劉 姝,王魯英,張園園

（遼寧石油化工大學 化學與材料科學學院,遼寧 撫順 113001）

木材阻燃研究及發(fā)展趨勢

嘠力巴,劉 姝*,王魯英,張園園

（遼寧石油化工大學 化學與材料科學學院,遼寧 撫順 113001）

近年，隨著我國阻燃法規(guī)的建立健全，阻燃技術的不斷發(fā)展，新型的木材阻燃劑及阻燃技術不斷涌現。闡述了木材的化學組成及燃燒過程、木材阻燃劑類型、阻燃機理、木材阻燃處理方法及各種處理方法的優(yōu)缺點，同時介紹了國內外木材阻燃研究的發(fā)展方向，對我國木材阻燃劑工業(yè)進一步發(fā)展提出了建議。木材阻燃的發(fā)展趨勢是開發(fā)一劑多效的新型復合阻燃劑，同時深入探索阻燃機理，為組合新的阻燃體系提供有效的途徑，使木材阻燃研究與市場實際需求相結合，為生產實踐的應用提供了理論基礎。

木材；阻燃；發(fā)展方向

前 言

木材是四大建材（鋼筋、混凝土、塑料、木材）之一，具有天然的紋理，給人以美的感受，它無毒、無害，是公認的可再生的綠色環(huán)保材料。隨著經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，木材及其制品以其天然材料所特有的魅力備受人們的青睞，質地優(yōu)良造型美觀的木家具，木門窗，木地板及各種木材制品進入千家萬戶，美化了生活，提高了品位，逐漸成為人們追求的時尚，使市場對木材的需求量呈逐年上升趨勢。但木材也是一種容易燃燒并具有火災隱患的材料。據消防部門及有關專家分析，火災起因各異，但火勢擴大、人員傷亡、財產損失都與房屋內部裝修中使用塑料、木材、紙張等易燃、可燃材料有直接關系[1～2]。為了使國家財產免受損失，保障人民的生命財產安全，對木材進行阻燃處理是必要的。

1 木材的化學組成和燃燒過程

木質材料是由90%的纖維素、半纖維素、木質素及10%的抽提物和灰分等組成。主要化學成分的分子結構、性質及相互間的關系不僅是木材各種性質的物質基礎，也是木材改性和阻燃處理的化學基礎。木材的次要化學成分雖然在木材中的含量較低，但對木材的燃燒性能有較大的影響。通常，抽提物含量越小、灰分含量越大木材越難燃燒。由于木材纖維素、半纖維素和木質素都屬于高分子化合物，因而木材是一種高分子復合體，既能發(fā)生交聯反應又可進行熱降解反應，還可以進行酯化、醚化、氧化、鹵代反應[3]。

當木材接觸火時，首先析出水分。當溫度在110℃時，木材蒸發(fā)出少量樹脂；當溫度達到130℃時，木材中的纖維素分解，產生不燃氣體和水蒸氣；當溫度達到220～250℃時，木材開始變色并炭化，主要產物為H2、CO和烴類物質；當溫度達到300℃以上，發(fā)生劇烈的熱分解，析出大量可燃氣體，使木材開始燃燒；400～600℃時，木材成分完全分解，燃燒更為熾烈。木材燃燒產生的最高溫度可達1150～1200℃。

2 木材阻燃劑的種類

木材阻燃劑多種多樣，分類方法也很多。按在處理過程中是否與木材反應，可以分為反應型阻燃劑和添加型阻燃劑。按化合物的類型又可分為；有機阻燃劑和無機阻燃劑。若按所含元素組成可分為：磷-氮系阻燃劑、鹵素阻燃劑、硼系阻燃劑及金屬氫氧化物等[4]。

2.1 木材的無機阻燃劑

木材無機阻燃劑發(fā)展最早，具有熱穩(wěn)定性好、不揮發(fā)、不析出、無毒、不產生腐蝕性氣體、價格低廉、安全性能高等特點，近年來發(fā)展很快。目前國外工業(yè)發(fā)達國家無機阻燃劑消費量遠遠高于有機阻燃劑。美國、西歐和日本等工業(yè)發(fā)達國家地區(qū)無機阻燃劑的消費占總消費量約60%,而我國還不到10%。因此,我國對無機阻燃劑的需求非常緊迫,而且市場潛力巨大[5]。以下為目前主要的幾種木材無機阻燃劑。

2.1.1 磷-氮化合物

包括磷酸鹽及聚磷酸鹽，如磷酸二氫銨（MAP）、聚磷酸銨等，其中磷酸二氫銨是用得最多的磷-氮系阻燃劑。在木材的熱分解過程中，磷-氮系阻燃劑具有降低熱分解溫度，增加炭的生成，減少可燃性氣體的產生以及降低熱量等作用，是木質材料最好的阻燃劑。

2.1.2 鹵素及其化合物

包括氟、氯、溴、碘的鹽類。鹵系阻燃劑對木材燃燒的抑制作用主要在著火及燃燒階段，化合物受熱分解生成鹵化氫，它能使火焰熄滅。鹵化物不足之處是具有較高的吸濕性和潮解性，這對木材的物理力學性質產生不良影響。在燃燒時，還會產生有害氣體，造成環(huán)境污染，使其應用受到了限制。近年來，少用或不用含鹵阻燃劑的呼聲日漸高漲。

2.1.3 硼化合物

包括硼酸、硼砂、多硼酸鈉、硼酸銨、硼酸鋅等。通過熱膨脹熔融、覆蓋在材料表面，隔斷氧氣供給，從而阻止了木材的燃燒和火焰?zhèn)鞑ミ_到阻燃目的。硼化合物是一種常用的無機阻燃劑,它能明顯提高制品的耐火性能[6～9],毒性低、對木材物理力學性能影響小、兼有防腐、防蟲功能。不足之處是水溶解性較低,混合物難以水合離子形式向木材中滲入。應適當提高水溶液的溫度，并將無機硼化合物與有機化合物或高分子化合物共用。

2.1.4 金屬氫氧化物

金屬氫氧化物中最常見是Al（OH）3和Mg（OH）2的阻燃劑。由于它們在高溫下能分解釋放出水分子，因而可延緩材料的熱降解速度，減緩或抑制材料的燃燒，并促進炭化和抑煙。另外，釋放出的大量水蒸汽可稀釋可燃物的濃度，致使系統(tǒng)放熱減少。其優(yōu)點是燃燒不產生有毒和腐蝕性氣體、抑煙、本身無毒、不揮發(fā)、不受水的影響、價廉；不足之處是添加量高，影響木材的物理機械性能及加工性能[10]。

2.2 木材的有機阻燃劑

有機阻燃劑包括MDF、UPFP、FRW、鹵化烴等。其中的磷或鹵素在木材分子的聚合或縮聚過程中參加反應，結合到木材分子的主鏈或側鏈中。其優(yōu)點是品種多，抗流失，對木材的物理力學性能影響較小，不足之處是阻燃性能不穩(wěn)定，成本高，燃燒時產生大量煙霧和有毒氣體。

3 木材阻燃機理

當溫度達到300℃以上，木材橫切面方向出現小裂紋，內層析出的揮發(fā)物能容易從木材表面逸出，隨著炭化深度的增加，裂縫逐漸加寬，并發(fā)生劇烈的熱分解，析出大量可燃氣體，木材開始燃燒。400～500℃時，木材成分完全分解。

按照F.L.Browne的分類法，木材的阻燃機理包括：

3.1 覆蓋機理

多數阻燃劑在受熱熔融時形成流體或泡沫狀物質覆蓋在木材表面，使材料與空氣隔絕，對火焰具有屏蔽作用，防止熱量傳入基材，同時阻止燃燒時產生的熱解產物逸出，以達到阻燃的目的[11]。

3.2 熱機理

由于阻燃劑能增加木材導熱性，使木材表面的散熱速度大于熱源的供熱速度，使木材表面迅速散熱，并且阻燃劑的受熱分解和熔融大多是吸熱反應，從而延緩木材局部溫度的上升，阻燃劑燃燒能形成導熱不良的炭化隔熱層，有效地抑制了木材燃燒進程。

3.3 氣體稀釋機理

熱作用使某些阻燃劑分解產生難燃性氣體，或由于阻燃劑的化學作用使得木質材料釋放出難燃性氣體（如水、二氧化碳、氨氣）。這些氣體不僅稀釋了木材熱解的可燃氣體的濃度，也降低了木質材料表面氧氣的濃度，使之不易燃燒。

3.4 自由基捕獲機理

阻燃劑（如鹵系阻燃劑）在熱分解溫度下能生成活性自由基。這些活性自由基能捕集木材燃燒放出的自由基并與之作用，生成不燃物，從而中止木材火焰中的連鎖反應，抑制了燃燒[12]。

3.5 成炭機理

阻燃劑（如含磷及其鹽類阻燃劑）受熱分解產生有吸水或脫水功效的酸基或鹽基，促使纖維素脫水形成可以隔熱絕氣的炭化層。

4 木材阻燃處理方法

木材阻燃處理是用物理或化學方法提高木材難燃性能的加工處理過程，不易被燃燒，被點燃時火焰不沿表面燃燒或燃燒速度減慢，脫離火源后自熄不續(xù)燃。木材阻燃的關鍵在于選擇適當的阻燃配方和合理的處理工藝。

4.1 木材物理阻燃法

物理阻燃法處理木材時不使用化學試劑，不改變木材的細胞壁、細胞腔結構和木材的化學成分。一是采用大斷面木構件遇火不易被點燃，燃燒時生成炭化層，可以限制熱傳遞和木構件的進一步燃燒，炭化層下的木材仍可以保持原有的木材強度；二是將木材與不燃的材料制成各種不燃或難燃的復合材料，如水泥刨花板、石膏刨花板、木材-巖棉復合板、木材-金屬復合板[13]。目前，復合板材因其節(jié)約木材、阻燃、防腐、價格低廉等優(yōu)勢而得到快速的發(fā)展[15]。

4.2 化學阻燃法

化學阻燃法是相對于物理阻燃法說的，是一種普遍應用的阻燃處理方法。將具有阻燃功能的化學藥劑以不同的方式注入木材表面或細胞壁、細胞腔中，或與木材的化學成分的某些基團發(fā)生化學反應，改變木材的熱解過程，達到延緩和抑制燃燒的目的?；瘜W阻燃法一般分為2種方法：表面涂敷法、浸漬法。

4.2.1 表面涂敷法

表面涂敷法又稱現場處理法[16]，是在加工成最終使用形狀的木材表面涂敷阻燃劑或阻燃涂料，或者在其表面黏貼不燃性物質，通過保護層的隔氧、隔熱作用達到阻燃的目的。優(yōu)點是能有效控制火勢蔓延、藥劑量較少，對木材的物理力學性能影響較小，操作方便，設備簡單。不足之處是耐磨性一般較低，保護層一旦遭到破壞，木材便不具備阻燃性能，同時影響木材的進一步裝飾。

4.2.2 浸漬處理法

浸漬處理法又稱提前處理法，是將木材浸泡在阻燃劑溶液里，使阻燃劑滲透到木材的內部，當木材受到熱作用時，阻燃劑產生一系列的物理、化學變化，降低木材熱解時可燃氣體的釋放量及燃燒速度，從而達到阻燃的目的。具體采用的阻燃處理方法，視對產品阻燃性能的要求（阻燃劑吸收量、阻燃劑滲透深度）、阻燃劑的性質（是否可以加熱）、木材樹種及木材規(guī)格等因素決定。

浸漬法有以下幾種：

1）常溫常壓浸漬法：

在常壓、室溫下，將木材浸漬在黏度較低的阻燃劑溶液中，木材的吸水的作用使阻燃劑溶液滲透到木材中。常壓浸注法使用的方法簡單、設備成本低，但處理時間長，阻燃劑滲透深度淺，載藥量低，適用于對阻燃要求不高的場合。

2）常壓加熱浸漬法：

在常壓下，將木材浸漬在一定溫度的阻燃劑溶液中，通過含水率梯度和溫度梯度的作用使阻燃劑溶液滲透到木材中。阻燃劑及阻燃處理工藝條件或過程選擇合適時，此方法可處理大部分木材，并得到較高的阻燃劑吸收量。

3）冷-熱浸漬法：

在常壓下，將木材先置于一定溫度的阻燃劑溶液中加熱，木材細胞中的空氣受熱膨脹，壓力高于大氣壓之后，迅速將木材移至冷阻燃劑溶液中，由于驟然冷卻，細胞中的空氣收縮，出現局部真空，通過壓力差及含水率梯度使阻燃溶液滲入木材中。此方法比常壓加熱浸漬法的阻燃處理時間短。

4）加壓浸漬法：

又稱滿細胞法。加壓浸漬是將木質材料與阻燃液放入高壓容器中，先抽成真空，在一定壓力下將阻燃劑壓入木材細胞壁和細胞腔中來實現阻燃處理。此法滲透深度高，載藥量大，阻燃效果持久，而且不影響木材的后續(xù)處理。

5）雙真空法：

該法的操作大致與滿細胞法類似，但處理過程中所用的真空和壓力都較滿細胞法低，在前真空過程中采用的真空為0.03～0.083 MPa；在加壓過程中采用的壓力為0.1～0.2 MPa；后真空過程中真空為0.067 MPa[17]。經空細胞法處理后的木材細胞腔中基本上不存在木材阻燃劑溶液，但細胞壁已經得到充分的處理，這是空細胞法和滿細胞法的最大不同之處。細胞腔基本上是空的，因此稱為空細胞法。該法的目的是用較少量的阻燃劑，保證一定的透入度。為了得到這樣的效果，用前空氣壓取代滿細胞法中的前真空，使得在后真空階段有較多的阻燃劑反沖出來[15]。雙真空法的用藥量比滿細胞法少，但它仍比常壓浸漬法的浸藥量大得多，浸透的深度也較大。不足是設備投資高，阻燃處理費用高。

5 木材阻燃研究的發(fā)展趨勢

隨著我國阻燃法規(guī)的建立和健全，以及阻燃技術的發(fā)展，木材阻燃劑的研究和開發(fā)將會迅速地廣泛開展起來。木材阻燃研究的發(fā)展趨勢包括以下幾方面內容。

5.1 研發(fā)新型阻燃劑

隨著社會的發(fā)展和進步，用戶對木材阻燃劑功能的要求也逐步提高。木材阻燃劑不僅要有阻燃性同時還應具有抑煙性、防腐性、防蟲（防朽）性和結構尺寸的穩(wěn)定性；阻燃劑成分不易水溶解而具有耐久性；火災時不會放出有毒氣體，并可控制煙量，不污染環(huán)境，阻燃劑低成本、無鹵化、一劑多效，開發(fā)功能復合的新型阻燃劑，將成為木材阻燃劑發(fā)展的主要方向之一。開發(fā)新型阻燃劑的重點是：可一次或幾次操作處理木材；藥劑的酸堿性對木材損傷侵蝕最??；藥劑及處理經濟性好；要保持木材的優(yōu)良特性，并以最小的量取得最大的效果。

5.2 探索阻燃機理

了解阻燃機理是木材阻燃的基礎，這將有助于我們更好地了解這些化學藥品是如何起作用的，并將為我們組合新的阻燃體系提供有效的途徑，從而可回避反復摸索；應借助先進的分析儀器如色譜和質譜分析儀來分析氣相反應區(qū)的燃燒機理和有毒氣體的毒性分析；用TG、DTA儀及熱圖象分析儀分析凝聚相反應；用電子顯微鏡技術研究凝聚相內的物理變化。

5.3 研究要與生產工藝和實際需要相結合

目前的大多數研究是在實驗室進行，實驗室處理的木材試件阻燃效果很好，實際應用時阻燃效果卻不理想，這是因為試樣尺寸偏小，與生產使用的木材尺寸差異較大而引起的，其最大的問題在于注入深度不夠，不均，導致阻燃效果不理想，這點要特別引起重視，要在實驗和生產過程中逐步改進。

［1］駱介禹,郭成,駱希明，等.FRDL-112阻燃劑在木材上的應用［J］.阻燃材料與技術,2001（4）：6～11.

［2］汪勇.木質阻燃劑的研究及發(fā)展趨勢［J］.安全技術安防科技,2010,10：53～55.

［3］胡云楚,劉元,吳志平，等.木材的化學組成與阻燃技術的發(fā)展方向［J］.木材工業(yè),2004,18（4）：28～31.

［4］吳玉章,華毓坤.木質材料阻燃研究的發(fā)展趨勢［J］.1997,24（4）：1～4.

［5］梁誠.無機阻燃劑應用與研究進展［J］.塑料科技,2005,158（6）：55～57.

［6］紅霞,劉磊,謝桂軍，等.SBB防護劑處理木材濕漲性、力學性能及阻燃劑性能等效果研究［J］.林業(yè)科技,2008,24（1）：22～24.

［7］GARBA B.Effect of zinc borate as flame retardant formulation on some tropical woods ［J］.Polymer Degradation and Stability,1999,64（3）：517～522.

［8］駱介禹,苗國平.硼酸鋅的合成及對木材阻燃性的研究［J］.阻燃材料與技術,1992（1）：5～9.

［9］駱介禹.木材阻燃的概況［J］.林產工業(yè),2000,27（2）：7～9.

［10］李燕蕓,劉霞,呂久琢等.木材阻燃劑的現狀及發(fā)展趨勢［J］.北京石油化工學院學報,2000,8（1）：29～34.

［11］楊守生,陸金侯.木材浸漬阻燃處理新配方研究［J］.消防技術與產品信息,2000（4）：41～43.

［12］方志勇.木材阻燃和防火［J］.沈陽教育學院學報,2009,11（6）：99～101.

［13］劉燕吉.木質材料的阻燃處理：木質材料的燃燒與阻燃系列講座之二［J］.木材工業(yè),1997,11（1）：41～42.

［14］李玉棟.難燃木材的應用與發(fā)展［J］.阻燃木材與技術,1999（6）：6～11.

［15］張世偉,李天祥,解田，等.木材阻燃處理工藝的現狀及發(fā)展趨勢［J］.消防科學與技術,2007,26（1）：77～79.

［16］BRICH M A,KOZHIN V P,SHCHITNIKOV V K.Kinetics of the wood impregnation process modeling and experiment［J］.Journal of Engineering Physics and Thermo physics,1999,72（4）：590～598.

［17］李曉東.木材阻燃浸漬處理方法及新的技術［J］.遼寧化工,2005,34（10）：439～442.

Research on Wood Flame-retardant and Development Trend

GA Li-ba,LIU Shu,WANG Lu-ying and ZHANG Yuan-yuan
（College of Chemical and Materials Science,Liaoning University of Petroleum and Chemical Technology,Fushun 113001,China）

In recent years,with establishing regulations and improved flame-retardant technology,new wood flame-retardants and flame retardant technology constantly emerges.The chemical composition of wood and the combustion process,retardant type,the mechanism of fire retardant,fire-retardant treatment of wood and the advantages and disadvantages of various treatment methods were describes.Also the development of fire-retardant research at home and abroad is introduced,and some suggestions are proposed about the future development of industry of wood fire retardant in our country.The development trend of wood fire retardant is that developing new composite flame-retardant with more than one effect,while further exploring the flame retardant mechanism to provide effective means for combination of new fire-retardant systems.The combination of wood flame-retardant with the actual market demand provides a theoretical basis for the production and application.

Wood;flame retardant;development direction

TQ314.248

A

1001-0017（2012）04-0068-04

2011-03-31 *

嘠力巴（1987-），女，內蒙古克什克騰旗人，在讀研究生，研究方向：木材阻燃性能研究。