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)和阻燃劑對木質(zhì)材料的阻燃機理探究

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；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分鐘時溫度可達到500℃，在10分鐘后溫度猛增到700℃。當火進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 實木

實木是有由多種復(fù)雜有機物質(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

改性木材是以實木為基材，利用實木的孔隙性對實木進行涂刷、浸漬（或壓力浸注）藥物的方法或進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。

人造板是利用實木或其加工剩余物經(jīng)過機械加工分離，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)能高效利用實木或其他植物纖維資源、緩解實木供需矛盾，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，我國人造板工業(yè)也得到了飛速的發(fā)展。進入21世紀，隨著我國改革開放和社會經(jīng)濟的發(fā)展，據(jù)專家預(yù)測：我國人造板市場消耗量到2015年將達3300-4500萬方，在2001年人造板產(chǎn)量的基礎(chǔ)上增長約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。灰分也稱礦物質(zhì)，它由Na、K、Ca、P、Fe等元素組成的無機化合物。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。對木材加熱時，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，首先要進行熱解，纖維素熱降解時，生成左旋葡聚糖，后者再脫水和熱裂解而進一步生成焦油及可燃性氣體、液體和固體。當可燃性氣體被引燃時，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，后者燃燒時產(chǎn)生炭殘渣。燃燒會持續(xù)進行到只剩下炭殘渣為止?；鹣绾螅繗堅捎诒砻鏈囟葮O高，遇到擴散的氧被氧化并阻燃。

3 阻燃機理

3.1 吸熱作用

任何燃燒在較短的時間所放出的熱量是有限的，如果能在較短的時間吸收火源所放出的一部分熱量，那么火焰溫度就會降低，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減少，燃燒反應(yīng)就會得到一定程度的抑制。在高溫條件下，阻燃劑發(fā)生了強烈的吸熱反應(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、阻止可燃氣體向外逸出的作用，從而達到阻燃目的。

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 不燃氣體窒息作用

阻燃劑受熱時分解出不燃氣體，可以稀釋可燃物分解出來的可燃氣體的濃度到燃燒下限以下。同時也對燃燒區(qū)內(nèi)的氧濃度具有稀釋作用，阻止了燃燒的繼續(xù)進行，達到阻燃的作用。阻燃機理使人們對燃燒和阻燃有了更深刻的認識，但燃燒和阻燃都是很復(fù)雜的過程，實際上某種阻燃體系的阻燃實現(xiàn)往往是幾種機理同時在起作用。

4 阻燃機理的評價方法

常用來評價阻燃機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、引燃時間等等。 熱分析方法（TG，DSC）用來測定材料受熱時的分解溫度，失重情況及受熱過程中的熱效應(yīng)。

紅外光譜法（FTIR）可以測定材料表面化學(xué)鍵的變化。阻燃材料受熱時，隨著溫度的升高，F(xiàn)TIR譜圖中C-C鍵的峰增強，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

總之，當火災(zāi)發(fā)生時如果能及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的早期階段并做出應(yīng)對，就會將火災(zāi)損失降到最低。事實上，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.阻燃材料及應(yīng)用技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

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［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：自然科學(xué)版，2002（2）.

［4］徐國華，袁靖.常用熱分析儀器[M].上海科學(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)于長安大學(xué)土木工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事建材檢測方面的工作。

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