生物質材料的阻燃研究與進展

吳赫赫，張同葉，王曉柯

（東北林業大學材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

一直以來，生物質材料被廣泛用于生產生活的各個方面。工業革命后，由于石油等化石燃料的開發與利用以及塑料等新材料的出現，人們對生物質材料的重視程度有所下降。近年來，由于化石燃料不斷衰減的儲備以及白色污染等問題，人們將目光再次投向了具有可再生、可降解和綠色環保等特性的生物質材料，然而生物質材料大多易燃，這也大大增加了火災的隱患。因此，對生物質材料的阻燃性研究勢在必行。

1 木材的阻燃研究

木材在一定程度上具有環境調節特性，其天然的紋理和質感也讓人們感到非常舒適，是一種十分“宜居”的材料。因此從古至今木制品都備受人們推崇，被廣泛地應用于房屋建筑以及室內裝飾中。木材是一種易燃的生物質材料，其所含的主要元素是碳、氫、氧，因此木材在用于建筑及裝飾領域時必須對其進行阻燃處理，消除其火災隱患。

1.1 木材燃燒過程

阻燃的本質是抑制或破壞材料燃燒條件，因此要想研究阻燃機理，前提是了解生物質材料的燃燒過程。溫度（著火點）、可燃物、助燃劑、鏈式自由基反應是材料燃燒的四要素，只要破壞這四個要素中的任意一個或多個便可達到阻燃目的。

以木材為例，生物質燃燒過程的幾大階段是：

吸熱階段。當溫度小于260 ℃時，木材并不燃燒，其化學組分也不發生變化，木材中的水分吸收熱量而蒸發，因此這一階段也被稱為干燥階段。

有焰燃燒階段。當溫度在260～450 ℃時，木材中的纖維素、半纖維素和木質素逐漸受熱分解，產生可燃性的揮發分，如二氧化碳、甲烷、焦油等，這一階段主要發生木材分解所產生的氣體的燃燒，因而會產生有顏色的火焰。

無焰燃燒階段。當溫度超過450℃而小于1 500℃時，幾乎無氣體及液體產物產生，主要發生在木材表面處的燃燒，即木炭燃燒。

1.2 木材阻燃機理

木材的阻燃機理就是通過一系列物理或化學手段，使木材缺少燃燒所需的一個或幾個必備的條件，從而達到阻燃目的。由于木材結構和組成具有很大的各向異性，其阻燃機理也較為復雜。根據國內外學者的研究，可大致將木材阻燃機理歸納整理如圖1。

圖1 木材阻燃機理

木材的三種最主要的阻燃機理是：

覆蓋理論。阻燃劑與火焰接觸時熔融分解，在木材表面形成了一層流體或泡沫狀的鹽類或氧化物薄膜，覆蓋在木材表面的這層薄膜不但抑制了木材受熱分解產生的可燃氣體逸出，且隔絕了木材表面熱量和氧氣的供給，在基質與氧氣之間起著屏障的作用。

成炭理論。阻燃劑受熱產生催化木材中纖維素或半纖維素等高分子鏈吸水或脫水的物質或基團，使其炭化，改變了木材的熱解途徑，使可燃性氣態產物、焦油等揮發分的生成量降低，難燃的木炭產量增加，從而降低熱釋放率，減緩熱解速率。

氣體稀釋理論。某些阻燃劑受熱時釋放出氮氣、氨氣和結晶水等難燃性氣體，稀釋了木材因熱解而產生的可燃性氣體，同時降低了木材表面氧氣的濃度，進而達到較好的阻燃效果。

1.3 木材阻燃處理方法

木材的阻燃處理方法有物理處理和化學處理。物理阻燃方法是一種不改變木材的結構及木材化學成分也不使用化學藥劑的阻燃方法?；瘜W阻燃法是向木材中加入各種阻燃劑，燃燒時阻燃劑與木材發生各種化學反應，使其熱解過程發生變化，從而對木材的燃燒性能進行抑制以阻止木材燃燒和火焰的傳播。化學阻燃法一般有表面涂敷、浸漬法及化學改性等。近年來，也不斷涌現了許多新興的阻燃處理方法，如微波法、超聲波法、高能輻射法、輻射法等。

1.4 木材阻燃劑

阻燃劑是含有阻燃元素（如磷、氮、硼和鹵素）的一類化合物或混合物。木材阻燃劑的種類有很多，根據人們所研究問題的側重點不同，木材阻燃劑的分類方式也有所不同，往往采用綜合分類法。如圖2為常用木材阻燃劑分類。

圖2 木材阻燃劑分類

按阻燃劑的基本化學性質分類是最常用的分類方法，下文主要從該角度進行歸納總結。

無機阻燃劑。無機阻燃劑具有低煙、無毒，熱穩定性好、價格便宜等優點，是使用最早、最廣泛的一類阻燃劑，然而有容易吸濕的缺點。無機阻燃劑主要有以下幾類：①磷-氮系列阻燃劑；②硼系列阻燃劑；③鹵素系列阻燃劑；④金屬系列阻燃劑。

有機阻燃劑。有機阻燃劑是在有機小分子聚合或縮聚過程中，加入磷或鹵素等阻燃元素，使其參加反應，結合到高聚物的主鏈或側鏈中形成的一類阻燃劑。通過這種方式得到的阻燃劑可以抗流失，對物理力學性能的影響也較小。

樹脂型阻燃劑。樹脂型阻燃劑可解釋為在樹脂中摻入阻燃類化合物的一類阻燃劑，其中阻燃類化合物起主要的阻燃作用，樹脂則起到抗流失的作用，同時樹脂也有一定的阻燃作用。一般通過兩種方式制得：①在配方中加入低聚合度合成樹脂，浸注木材，經干燥后樹脂固化，對配方中的易流失阻燃成分（常為無機鹽）產生包覆固著作用，改善阻燃劑的抗流失、遷移和吸濕性；②在樹脂制造過程中加入磷酸等有阻燃作用的化合物，通過樹脂固化形成的阻燃劑。樹脂型阻燃劑與有機阻燃劑的區別是，前者是簡單的物理混合，而后者則發生了化學反應。

鹵素阻燃劑在燃燒時放出大量腐蝕性氣體和有毒煙霧，污染環境并對人體和設備造成危害，無鹵阻燃劑成為當今木材阻燃劑的發展方向。如今具有單一阻燃作用的常規阻燃劑往往不能滿足需要，在生產生活中往往要求一劑多效，不但能提高木材阻燃性能，還能賦予木材防腐、抑煙、尺寸穩定等其他優良性能，同時對木材的物理力學性能沒有較大影響。

2 竹材的阻燃研究

與木質材料相比，竹質材料含有更高的纖維素和半纖維素，更低的木質素和抽提物，所以竹材更易燃燒且反應劇烈、煙霧量較大。隨著竹質材料在家具、裝飾和公共場所使用量的不斷增加，加強對竹質材料的阻燃處理已成必然需要。由于竹質材料具有與木質材料相似的物理、化學性質，故目前竹質材料的阻燃研究與木質材料的阻燃研究有許多相似之處。竹質材料也有著與木材不同的自身特性，例如，構成竹壁的竹青、竹肉和竹黃存在著顯著的物理力學性能和化學成分差異；竹質材料主要由軸向薄壁細胞和維管束系統組成，沒有橫向組織。這些獨特的特征都造成了竹材阻燃與木材阻燃的不同。竹質材料的阻燃常用化學處理法（即向竹材中添加阻燃劑），分為表面處理（表面涂覆法）、深層處理（浸漬處理工藝）、復合法、化學改性法。目前，在竹質材料的阻燃處理研究與應用中，用得最多的是硼類化合物阻燃劑、磷氮系阻燃劑和有機磷-氮-硼復合阻燃劑。與木材阻燃性能測試分析方法類似，竹質材料阻燃性能的測試常用的是錐形量熱儀法、氧指數法、熱分析法、煙密度、氧指數、水平垂直燃燒、紅外光譜分析法和核磁共振波譜法。

3 織物的阻燃研究

織物廣泛應用于服裝、家紡、軍工、醫療衛生、土木建筑、航空航天、軌道交通等多個領域中，而其易燃性是一大隱患?？椢镆坏┻M入轟燃階段將難以熄滅，尤其是在高層建筑火災中，消防撲救作業更是舉步維艱，因此，提升織物的阻燃性尤為關鍵?？椢锸怯商烊换蚧瘜W纖維網絡組成的柔性材料，因而普遍具有質地輕薄、柔軟、易加工等優良特性，有著其特殊的阻燃處理技術。目前，獲得阻燃性織物的主要途徑之一是在織物表面進行阻燃處理，具體方法有物理沉積法、化學表面改性法、溶膠-凝膠法和層層自組裝法。物理沉積法是常見的表面處理技術，沉積在織物表面的阻燃劑之間及阻燃劑和織物之間，阻燃劑的分子結構并不需要特殊設計，物理沉積的加工工藝常用的加工工藝包括浸軋焙烘、浸漬烘燥、涂布、噴霧、有機溶劑浸泡等。表面化學改性法是一種將可以與織物的活性基團發生化學反應的官能團引入阻燃劑當中，使阻燃劑通過化學反應固定在織物上的方法。溶膠-凝膠法是一種由底至上的合成方法，硅、金屬醇鹽等常常在溶膠-凝膠技術中被用作前驅體，經過水解反應、縮合聚合形成溶膠粒子，在充分攪拌下，溶膠進一步通過縮合反應形成凝膠，將織物浸漬-干燥后，硅凝膠在織物表面形成致密的二氧化硅網絡涂層以達到阻燃的效果。未來的織物阻燃處理技術發展重點將是如何有機地結合高品質與多功能，實現功能性阻燃織物的實用化，以此推動織物表面處理技術在可穿戴電子、家具、衣物和防護用品等領域的廣泛應用。

4 結語

隨著我國“雙碳”政策的不斷推進和完善，以及世界范圍內對節能減排、綠色環保要求的不斷提高，阻燃劑也越來越資源化、綠色化、廉價、可再生和功能化，今后，綜合性能優越的阻燃材料將會受到更加廣泛的關注和應用。如何在增強生物質材料阻燃性的同時保證其力學強度以及其他優秀特性是未來發展中必須考慮的因素。目前研究的挑戰主要是開發新型阻燃劑及阻燃處理技術，在已有技術的基礎之上，未來的阻燃劑及阻燃表面處理技術將能夠同時實現多種功能，盡可能簡化后整理流程、降低處理難度，滿足各種場景中的使用要求。在開發新技術的過程中，也必須考慮阻燃劑及處理方法與現有生產過程的兼容性，從而進一步降低生產成本，避免在處理工序中出現阻燃劑及功能組分脫落、失活等現象。