马里兰大学胡良兵Adv. Funct. Mater.：密实、自形成的炭层使阻燃木材结构材料成为可能

【引言】

木屋和家具的可燃性是发生火灾并造成人员伤亡的一个主要原因，仅2016年美国就发生了130多万起火灾，造成约3390人死亡。木材是最古老的建筑材料之一，由于其轻质、坚固、隔热和电绝缘性能，常用于建筑、家具和装饰等。然而，防火安全性成为了限制其应用于结构材料的主要因素。通过物理渗透将卤化阻燃剂浸渍到木材孔隙中是一种传统的阻燃处理方法，然而这些阻燃剂无法满足现代建筑对环境和健康的严格要求。最近，纳米技术和仿生设计的发展为改善木材的阻燃性带来了更加环保的解决方案。例如，将木材与无机纳米粒子杂化，可以获得具有良好耐热性和阻燃性的功能性无机/有机材料。然而，纳米颗粒涂层对于商业用途而言仍然比较昂贵，并且其结构强度和稳定性也不能令人满意。

【成果简介】

近日，美国马里兰大学胡良兵教授课题组开发了一种利用脱木素辅助致密化的策略，从而实现了以环保、低成本和可扩展的方式同时提高木材的机械强度和阻燃性能。研究发现，通过脱木质素和致密化过程可以形成高密度的层压木材结构。这种致密的层压结构不仅有效地降低了材料的透气性，还能够在木材表面上形成绝缘炭层。致密的木炭层通过减少热量和氧气扩散来改善阻燃性，这在降低热释放速率和阻碍燃烧反应中起着至关重要的作用。该成果以题为"Dense, Self-Formed Char Layer Enables a Fire-Retardant Wood Structural Material"发表在国际著名材料期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1 阻燃致密木材的工作原理示意图

(a) 具有取向纤维素纳米纤维的木材，其致密结构限制了材料内的氧气量；

(b) 着火后，在致密木材外部形成的木炭起到保护内部结构的作用；

(c) 致密木材的抗压强度显着高于天然木材，致密木材的最大放热率显着低于天然木材，表明致密木材具有良好的机械性能和优异的阻燃性能。

图2 天然和致密木材的形貌和结构表征

(a) 天然木材的SEM图像：截面图；

(b) 天然木材的SEM图像：顶视图；

(c) 致密木材的SEM图像：截面图；

(d) 致密木材的SEM图像：顶视图；

(e) 天然木材、致密木材和木炭样品的FTIR光谱；

(f) 在锥形量热计中燃烧后致密木材的照片。

(g) 燃烧后致密木材外层顶视图SEM图像；

(h) 燃烧后致密木材中间层顶视图SEM图像；

(i) 燃烧后致密木材内层顶视图SEM图像。

图3 锥形量热仪的点火测试结果

依据天然木材和致密木材的外部热通量值绘制了tig的数据点和拟合曲线。

(a) 临界热通量(q_crit)得以确定；

(b) 热响应参数(TRP) 得以确定。

图4 天然木材和致密木材的燃烧行为对比

(a) 外部热通量为30 kW m^-2时天然木材和致密木材的HRR曲线；

(b) 天然木材的燃烧行为示意图；

(c) 致密木材的燃烧行为示意图；

(d) 外部热通量为30 kW m^-2时天然木材和致密木材的点火时间；

(e) 外部热通量为30 kW m^-2时天然木材和致密木材的平均热释放率；

(f) 外部热通量为30 kW m^-2时天然木材和致密木材的有效燃烧热。

图5 天然木材和致密木材的抗压强度对比

(a) 天然木材和致密木材样品燃烧0 s时间后的压缩试验示意图；

(b) 天然木材和致密木材样品燃烧0 s时间后，对应的压缩应与木材样品压缩位移的关系图；

(c) 天然木材和致密木材样品燃烧0 s时间后，天然木材和致密木材的抗压强度对比；

(d) 天然木材和致密木材样品燃烧60 s时间后的压缩试验示意图；

(e) 天然木材和致密木材样品燃烧60 s时间后，对应的压缩应与木材样品压缩位移的关系图；

(f) 天然木材和致密木材样品燃烧60 s时间后，天然木材和致密木材的抗压强度对比；

(g) 天然木材和致密木材样品燃烧90 s时间后的压缩试验示意图；

(h) 天然木材和致密木材样品燃烧90 s时间后，对应的压缩应与木材样品压缩位移的关系图；

(i) 天然木材和致密木材样品燃烧90 s时间后，天然木材和致密木材的抗压强度对比；

(j) 燃烧不同时间后，天然和致密木材的抗压强度的变化；

(k) 燃烧不同时间后用于压缩试验的木材样品的照片。

【小结】

本文中，作者发展了一种有效的、环境友好的方法来显著改善木材的阻燃性能，其是通过脱木素和致密化的策略来实现的。致密化过程消除了细胞壁之间的空间，从而获得高度紧凑的层压结构，其可以阻止氧气渗透，而在在燃烧过程中自形成的绝缘木炭层又能够阻碍热量和氧气的传播。这些协同效应使得该材料具有优异的阻燃性和自熄性，其中点火时间提高了2.08倍，最大放热率降低34.6%。此外，与天然木材接触火焰90秒后，致密木材的抗压强度提高了82倍以上，可有效防止木结构的坍塌和破坏，为发生火灾时提供了宝贵的救生时间。

文献链接：Dense, Self-Formed Char Layer Enables a Fire-Retardant Wood Structural Material(Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201807444)

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