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(kāi)展木材阻燃機(jī)理研究和開(kāi)發(fā)木材阻燃技術(shù)是保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的需要。成炭作用對(duì)木材的燃燒熱、火勢(shì)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(qiáng)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(jī)理研究的關(guān)

2、鍵問(wèn)題。針對(duì)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(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)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(guò)固相研磨反應(yīng)制備了硼酸鋅超微粒子。x-射線(xiàn)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(wú)定形結(jié)構(gòu)。硼酸與氧化鋅之間的固相反應(yīng)對(duì)于硼酸和氧化鋅粒徑的變小具有促進(jìn)作用。通過(guò)固相研磨所獲得的硼酸鋅微粒的表面沒(méi)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(xì)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(shí)將在不同溫度下失水和發(fā)揮阻燃作用，因此，在阻燃過(guò)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(xì)硼酸鋅阻燃劑，不存在除雜等麻煩工序，沒(méi)有溶劑蒸發(fā)帶來(lái)的團(tuán)聚問(wèn)題，是一種極其簡(jiǎn)便的制備鹽類(lèi)納米粒子的有效方法之一。 其次，對(duì)于磷酸和尿素縮聚反應(yīng)制備聚磷酸銨的工藝條件進(jìn)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(shí)間為140min左右。聚磷酸銨的聚合度為23.3(文獻(xiàn)值為20～30)，溶解度為0.67g/100mL水。 采用灼燒成炭實(shí)驗(yàn)、熱重分析、錐形量熱法、點(diǎn)著溫度、氧指數(shù)等方法測(cè)定和評(píng)價(jià)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(duì)楊木的阻燃作用和抑煙作用。結(jié)合電鏡觀察、高溫x-射線(xiàn)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)，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(shí)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(guò)研究硼酸鋅和聚磷酸銨阻燃處理?xiàng)钅痉鄣腡G-DTA-T曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，阻燃處理?xiàng)钅痉塾胁煌谖醋枞继幚項(xiàng)钅痉鄣?個(gè)重要特征：木炭爆燃過(guò)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?xiàng)钅舅榱习宓腻F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(guò)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(shí)間推遲；阻燃處理木材的兩個(gè)階段相關(guān)峰的強(qiáng)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(jìn)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(duì)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?zhǔn)饺紵磻?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(shí)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(guò)隔熱隔氣作用阻礙木材的燃燒反應(yīng)，通過(guò)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?xì)怏w可以在木材表面形成一個(gè)高濃度的還原性氣相阻燃?xì)怏w保護(hù)層；硼酸鋅在吸附木材分解產(chǎn)物的同時(shí)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(dāng)硼酸鋅和聚磷酸銨形成復(fù)合阻燃劑時(shí)，各個(gè)組分以各自不同的阻燃機(jī)