美国马里兰大学胡良兵Adv. Funct. Mater.：各向异性导热六边形氮化硼涂层的耐火结构材料

【引言】

从远古时代到今天，木材一直被用来建造桥梁、房屋、塔楼和家具等结构。与钢铁、混凝土和其他建筑材料的制造工艺相比，木材加工不仅减少了能源消耗，而且由于其绿色环保特性而对碳足迹产生了积极的贡献。尽管具有这些特性，但由于其高火灾风险，木材在现代建筑行业仍面临挑战。随着现代社会对灭火系统的改进，快速有效的灭火能力得到了大大提高，着火温度的升高和结构材料的延迟时间成为进一步改善现代建筑消防安全问题的一个有希望的方向。尽管大多数先前的研究主要集中在降低木材在燃烧过程中的放热率（HRR），但很少有有效的方法来帮助延迟木材着火的报道。

阻燃剂通过化学反应或充当物理屏障，在着火，热解或火焰蔓延期间干扰燃烧过程。在木材中添加阻燃剂可以提高材料的耐火性，而不会牺牲木质材料的内在优势。尽管卤素和磷有机阻燃剂可以有效降低HRR并提高木材的耐火性，但是有毒卤素产品引起的环境风险仍然存在问题。相反，无机阻燃剂更绿色，更适合可持续应用。大多数无机阻燃剂均具有出色的阻气功能，包括粘土，粘土纳米纸，二氧化硅，二氧化钛，碳酸钙和镁铝氢氧化物。它们通过使表面绝缘并延迟木材的热分解来降低木材的HRR。然而，由于其各向同性的绝热行为在火附近产生集中的热通量，传统的无机阻燃剂通常在改善点火性能方面效果有限。理想地，用于防火木材的无机阻燃剂应在涂层的平面内具有较高的导热性，而在垂直于该平面的方向上具有较低的导热性，从而降低木材的峰值温度，从而提高点火性能。

【成果简介】

美国马里兰大学胡良兵教授提出了一种简单而可扩展的方法，通过将致密化处理与厚度为30 µm的纳米层状六方氮化硼（h-BN）涂层相结合来形成木材，从而形成所谓的BN致密化木材，从而提高了木材的耐火性。致密化已被证明可有效地增强木材的阻燃性能，因为它在暴露于火焰时会自动形成木炭层，从而起到有效的隔热和隔氧作用。此外，与其他无机阻燃纳米材料不同，已知2D h-BN片材可形成具有各向异性热性能的层状结构，并显示出良好的尺寸稳定性，理想的耐腐蚀性和抗氧化性能，在防火方面具有吸引力不仅可以降低HRR，还可以增强点火性能。如文献报道，h-BN在平面内和贯通平面方向上的热导率分别为390和2 W/m/K。得益于h-BN的各向异性导热性，BN致密化的木材可以有效地将传入的热量沿着木材表面传递，并承受垂直方向的热传导。同时，纳米层状h-BN涂层可作为氧气和挥发物的物理屏障，从而减缓放热反应。结果，大大降低了BN致密木材的燃烧速度。此外，涂覆方法简单且可扩展，可以为长度大于25厘米，宽度大于15厘米的BN致密木材创建三明治结构。与文献中报道的其他阻燃木质材料相比，BN致密化木材显示出最长的点火延迟时间和最高的拉伸强度之一。阻燃的BN致密木材满足大规模生产，高机械性能和良好的防火安全性的要求。该成果以“Fire-Resistant Structural Material Enabled by an Anisotropic Thermally Conductive Hexagonal Boron Nitride Coating”为题发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1.示意图展示了BN致密木材的工作原理，展示了更高的耐火性和机械性能

a）BN致密木材的导热性和隔热性示意图

b）在实验室中制造的可伸缩的BN致密木材

c）将BN致密木材的拉伸强度和点火延迟时间与其他地方报道的耐火木材的结果进行比较

图2.致密木材和BN致密木材的形态和微观结构

a）致密木材和BN致密木材的照片

b）致密木材的SEM图像显示出高度压缩的结构和完全塌陷的木质细胞壁

c）垂直于生长方向切割BN致密木材，以显示h-BN仅覆盖致密木材表面，同时保持内部致密木材结构

d）SEM图像显示BN致密木材的致密木材结构

e）BN致密木材的横截面SEM图像显示h-BN层的厚度为30 µm

f）截面SEM图像显示了h-BN涂层的层状结构

g）BN致密化木材的SEM俯视图显示了h-BN片在致密化木材表面的分布

h）在BN致密木材表面上h-BN片的TEM图像和SAED图案

图3.致密木材和BN致密木材的可燃性测试

a）致密木材在丙烷火焰下燃烧30 s的行为

b）示意图显示了燃烧后致密木材的形态变化

c,d）燃烧后致密木材的SEM图像

e）BN致密木材在丙烷火焰下燃烧30 s的行为

f）示意图显示了燃烧后BN致密木材的形态变化

g,h）燃烧后BN致密木材的SEM图像

图4.致密木和BN致密木的阻燃性

a,b）确定临界热通量（q_crit）和TRP

c）在外部热通量为50 kW/m²时，此工作的计算的点火延迟时间与其他报告的耐火木材结果的比较

d）木材样品的T_ig平均值，显示95％的置信区间

图5.演示BN致密木材的高度各向异性热性能

a）致密木材的传热示意图

b,c）入射热垂直于木材生长方向的致密木材的红外热像图

d）BN致密木材的传热示意图

e,f）垂直于木材生长方向的入射热的BN致密木材的红外热像图

g）用于传热测试的BN致密木材的图片

h）沿X轴分别显示致密木材和BN致密木材的俯视温度曲线

i）致密木材和BN致密木材沿Z轴的横截面温度曲线

【总结】

在这个工作中，作者通过一种简单而有效的涂覆方法展示了一种超强且耐火的BN致密木材。h-BN涂层是均匀的，并且水平堆叠在7毫米厚的致密木材的表面上，从而为抑制氧气扩散和暴露于热时释放的可燃挥发物提供了极好的保护屏障。得益于h-BN的各向异性热导率，BN致密化木材在平面内方向上显示出出色的热扩散率，并且在平面内方向上显示出有效的热阻挡。与未涂布的致密木相比，BN致密木的着火温度（T_ig）提高了41^oC，着火延迟时间（t_ig）增长了两倍，最大HRR降低了25％，表明总体上有所改善的耐火性。同时，BN致密化木材还显示出优异的机械性能，高达471.5 MPa的高抗拉强度和362 Mpa·cm³/g的特殊抗拉强度，表明了这些传统结构材料的超强轻质替代品。这项工作表明，各向异性导热h-BN阻燃涂料不仅增强了木材的耐火性，而且还保持了致密化赋予材料的高强度，代表了开发可满足要求的高性能结构材料的有希望的方向。

文献链接：Fire-Resistant Structural Material Enabled by an Anisotropic Thermally Conductive Hexagonal Boron Nitride Coating.Adv. Funct. Mater.,2019, DOI: 10.1002/adfm.201909196.

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