木材阻燃研究及发展趋势

嘠力巴,刘 姝,王鲁英,张园园

（辽宁石油化工大学 化学与材料科学学院,辽宁 抚顺 113001）

木材阻燃研究及发展趋势

嘠力巴,刘 姝*,王鲁英,张园园

（辽宁石油化工大学 化学与材料科学学院,辽宁 抚顺 113001）

近年，随着我国阻燃法规的建立健全，阻燃技术的不断发展，新型的木材阻燃剂及阻燃技术不断涌现。阐述了木材的化学组成及燃烧过程、木材阻燃剂类型、阻燃机理、木材阻燃处理方法及各种处理方法的优缺点，同时介绍了国内外木材阻燃研究的发展方向，对我国木材阻燃剂工业进一步发展提出了建议。木材阻燃的发展趋势是开发一剂多效的新型复合阻燃剂，同时深入探索阻燃机理，为组合新的阻燃体系提供有效的途径，使木材阻燃研究与市场实际需求相结合，为生产实践的应用提供了理论基础。

木材；阻燃；发展方向

前 言

木材是四大建材（钢筋、混凝土、塑料、木材）之一，具有天然的纹理，给人以美的感受，它无毒、无害，是公认的可再生的绿色环保材料。随着经济的发展和人民生活水平的提高，木材及其制品以其天然材料所特有的魅力备受人们的青睐，质地优良造型美观的木家具，木门窗，木地板及各种木材制品进入千家万户，美化了生活，提高了品位，逐渐成为人们追求的时尚，使市场对木材的需求量呈逐年上升趋势。但木材也是一种容易燃烧并具有火灾隐患的材料。据消防部门及有关专家分析，火灾起因各异，但火势扩大、人员伤亡、财产损失都与房屋内部装修中使用塑料、木材、纸张等易燃、可燃材料有直接关系[1～2]。为了使国家财产免受损失，保障人民的生命财产安全，对木材进行阻燃处理是必要的。

1 木材的化学组成和燃烧过程

木质材料是由90%的纤维素、半纤维素、木质素及10%的抽提物和灰分等组成。主要化学成分的分子结构、性质及相互间的关系不仅是木材各种性质的物质基础，也是木材改性和阻燃处理的化学基础。木材的次要化学成分虽然在木材中的含量较低，但对木材的燃烧性能有较大的影响。通常，抽提物含量越小、灰分含量越大木材越难燃烧。由于木材纤维素、半纤维素和木质素都属于高分子化合物，因而木材是一种高分子复合体，既能发生交联反应又可进行热降解反应，还可以进行酯化、醚化、氧化、卤代反应[3]。

当木材接触火时，首先析出水分。当温度在110℃时，木材蒸发出少量树脂；当温度达到130℃时，木材中的纤维素分解，产生不燃气体和水蒸气；当温度达到220～250℃时，木材开始变色并炭化，主要产物为H2、CO和烃类物质；当温度达到300℃以上，发生剧烈的热分解，析出大量可燃气体，使木材开始燃烧；400～600℃时，木材成分完全分解，燃烧更为炽烈。木材燃烧产生的最高温度可达1150～1200℃。

2 木材阻燃剂的种类

木材阻燃剂多种多样，分类方法也很多。按在处理过程中是否与木材反应，可以分为反应型阻燃剂和添加型阻燃剂。按化合物的类型又可分为；有机阻燃剂和无机阻燃剂。若按所含元素组成可分为：磷-氮系阻燃剂、卤素阻燃剂、硼系阻燃剂及金属氢氧化物等[4]。

2.1 木材的无机阻燃剂

木材无机阻燃剂发展最早，具有热稳定性好、不挥发、不析出、无毒、不产生腐蚀性气体、价格低廉、安全性能高等特点，近年来发展很快。目前国外工业发达国家无机阻燃剂消费量远远高于有机阻燃剂。美国、西欧和日本等工业发达国家地区无机阻燃剂的消费占总消费量约60%,而我国还不到10%。因此,我国对无机阻燃剂的需求非常紧迫,而且市场潜力巨大[5]。以下为目前主要的几种木材无机阻燃剂。

2.1.1 磷-氮化合物

包括磷酸盐及聚磷酸盐，如磷酸二氢铵（MAP）、聚磷酸铵等，其中磷酸二氢铵是用得最多的磷-氮系阻燃剂。在木材的热分解过程中，磷-氮系阻燃剂具有降低热分解温度，增加炭的生成，减少可燃性气体的产生以及降低热量等作用，是木质材料最好的阻燃剂。

2.1.2 卤素及其化合物

包括氟、氯、溴、碘的盐类。卤系阻燃剂对木材燃烧的抑制作用主要在着火及燃烧阶段，化合物受热分解生成卤化氢，它能使火焰熄灭。卤化物不足之处是具有较高的吸湿性和潮解性，这对木材的物理力学性质产生不良影响。在燃烧时，还会产生有害气体，造成环境污染，使其应用受到了限制。近年来，少用或不用含卤阻燃剂的呼声日渐高涨。

2.1.3 硼化合物

包括硼酸、硼砂、多硼酸钠、硼酸铵、硼酸锌等。通过热膨胀熔融、覆盖在材料表面，隔断氧气供给，从而阻止了木材的燃烧和火焰传播达到阻燃目的。硼化合物是一种常用的无机阻燃剂,它能明显提高制品的耐火性能[6～9],毒性低、对木材物理力学性能影响小、兼有防腐、防虫功能。不足之处是水溶解性较低,混合物难以水合离子形式向木材中渗入。应适当提高水溶液的温度，并将无机硼化合物与有机化合物或高分子化合物共用。

2.1.4 金属氢氧化物

金属氢氧化物中最常见是Al（OH）3和Mg（OH）2的阻燃剂。由于它们在高温下能分解释放出水分子，因而可延缓材料的热降解速度，减缓或抑制材料的燃烧，并促进炭化和抑烟。另外，释放出的大量水蒸汽可稀释可燃物的浓度，致使系统放热减少。其优点是燃烧不产生有毒和腐蚀性气体、抑烟、本身无毒、不挥发、不受水的影响、价廉；不足之处是添加量高，影响木材的物理机械性能及加工性能[10]。

2.2 木材的有机阻燃剂

有机阻燃剂包括MDF、UPFP、FRW、卤化烃等。其中的磷或卤素在木材分子的聚合或缩聚过程中参加反应，结合到木材分子的主链或侧链中。其优点是品种多，抗流失，对木材的物理力学性能影响较小，不足之处是阻燃性能不稳定，成本高，燃烧时产生大量烟雾和有毒气体。

3 木材阻燃机理

当温度达到300℃以上，木材横切面方向出现小裂纹，内层析出的挥发物能容易从木材表面逸出，随着炭化深度的增加，裂缝逐渐加宽，并发生剧烈的热分解，析出大量可燃气体，木材开始燃烧。400～500℃时，木材成分完全分解。

按照F.L.Browne的分类法，木材的阻燃机理包括：

3.1 覆盖机理

多数阻燃剂在受热熔融时形成流体或泡沫状物质覆盖在木材表面，使材料与空气隔绝，对火焰具有屏蔽作用，防止热量传入基材，同时阻止燃烧时产生的热解产物逸出，以达到阻燃的目的[11]。

3.2 热机理

由于阻燃剂能增加木材导热性，使木材表面的散热速度大于热源的供热速度，使木材表面迅速散热，并且阻燃剂的受热分解和熔融大多是吸热反应，从而延缓木材局部温度的上升，阻燃剂燃烧能形成导热不良的炭化隔热层，有效地抑制了木材燃烧进程。

3.3 气体稀释机理

热作用使某些阻燃剂分解产生难燃性气体，或由于阻燃剂的化学作用使得木质材料释放出难燃性气体（如水、二氧化碳、氨气）。这些气体不仅稀释了木材热解的可燃气体的浓度，也降低了木质材料表面氧气的浓度，使之不易燃烧。

3.4 自由基捕获机理

阻燃剂（如卤系阻燃剂）在热分解温度下能生成活性自由基。这些活性自由基能捕集木材燃烧放出的自由基并与之作用，生成不燃物，从而中止木材火焰中的连锁反应，抑制了燃烧[12]。

3.5 成炭机理

阻燃剂（如含磷及其盐类阻燃剂）受热分解产生有吸水或脱水功效的酸基或盐基，促使纤维素脱水形成可以隔热绝气的炭化层。

4 木材阻燃处理方法

木材阻燃处理是用物理或化学方法提高木材难燃性能的加工处理过程，不易被燃烧，被点燃时火焰不沿表面燃烧或燃烧速度减慢，脱离火源后自熄不续燃。木材阻燃的关键在于选择适当的阻燃配方和合理的处理工艺。

4.1 木材物理阻燃法

物理阻燃法处理木材时不使用化学试剂，不改变木材的细胞壁、细胞腔结构和木材的化学成分。一是采用大断面木构件遇火不易被点燃，燃烧时生成炭化层，可以限制热传递和木构件的进一步燃烧，炭化层下的木材仍可以保持原有的木材强度；二是将木材与不燃的材料制成各种不燃或难燃的复合材料，如水泥刨花板、石膏刨花板、木材-岩棉复合板、木材-金属复合板[13]。目前，复合板材因其节约木材、阻燃、防腐、价格低廉等优势而得到快速的发展[15]。

4.2 化学阻燃法

化学阻燃法是相对于物理阻燃法说的，是一种普遍应用的阻燃处理方法。将具有阻燃功能的化学药剂以不同的方式注入木材表面或细胞壁、细胞腔中，或与木材的化学成分的某些基团发生化学反应，改变木材的热解过程，达到延缓和抑制燃烧的目的。化学阻燃法一般分为2种方法：表面涂敷法、浸渍法。

4.2.1 表面涂敷法

表面涂敷法又称现场处理法[16]，是在加工成最终使用形状的木材表面涂敷阻燃剂或阻燃涂料，或者在其表面黏贴不燃性物质，通过保护层的隔氧、隔热作用达到阻燃的目的。优点是能有效控制火势蔓延、药剂量较少，对木材的物理力学性能影响较小，操作方便，设备简单。不足之处是耐磨性一般较低，保护层一旦遭到破坏，木材便不具备阻燃性能，同时影响木材的进一步装饰。

4.2.2 浸渍处理法

浸渍处理法又称提前处理法，是将木材浸泡在阻燃剂溶液里，使阻燃剂渗透到木材的内部，当木材受到热作用时，阻燃剂产生一系列的物理、化学变化，降低木材热解时可燃气体的释放量及燃烧速度，从而达到阻燃的目的。具体采用的阻燃处理方法，视对产品阻燃性能的要求（阻燃剂吸收量、阻燃剂渗透深度）、阻燃剂的性质（是否可以加热）、木材树种及木材规格等因素决定。

浸渍法有以下几种：

1）常温常压浸渍法：

在常压、室温下，将木材浸渍在黏度较低的阻燃剂溶液中，木材的吸水的作用使阻燃剂溶液渗透到木材中。常压浸注法使用的方法简单、设备成本低，但处理时间长，阻燃剂渗透深度浅，载药量低，适用于对阻燃要求不高的场合。

2）常压加热浸渍法：

在常压下，将木材浸渍在一定温度的阻燃剂溶液中，通过含水率梯度和温度梯度的作用使阻燃剂溶液渗透到木材中。阻燃剂及阻燃处理工艺条件或过程选择合适时，此方法可处理大部分木材，并得到较高的阻燃剂吸收量。

3）冷-热浸渍法：

在常压下，将木材先置于一定温度的阻燃剂溶液中加热，木材细胞中的空气受热膨胀，压力高于大气压之后，迅速将木材移至冷阻燃剂溶液中，由于骤然冷却，细胞中的空气收缩，出现局部真空，通过压力差及含水率梯度使阻燃溶液渗入木材中。此方法比常压加热浸渍法的阻燃处理时间短。

4）加压浸渍法：

又称满细胞法。加压浸渍是将木质材料与阻燃液放入高压容器中，先抽成真空，在一定压力下将阻燃剂压入木材细胞壁和细胞腔中来实现阻燃处理。此法渗透深度高，载药量大，阻燃效果持久，而且不影响木材的后续处理。

5）双真空法：

该法的操作大致与满细胞法类似，但处理过程中所用的真空和压力都较满细胞法低，在前真空过程中采用的真空为0.03～0.083 MPa；在加压过程中采用的压力为0.1～0.2 MPa；后真空过程中真空为0.067 MPa[17]。经空细胞法处理后的木材细胞腔中基本上不存在木材阻燃剂溶液，但细胞壁已经得到充分的处理，这是空细胞法和满细胞法的最大不同之处。细胞腔基本上是空的，因此称为空细胞法。该法的目的是用较少量的阻燃剂，保证一定的透入度。为了得到这样的效果，用前空气压取代满细胞法中的前真空，使得在后真空阶段有较多的阻燃剂反冲出来[15]。双真空法的用药量比满细胞法少，但它仍比常压浸渍法的浸药量大得多，浸透的深度也较大。不足是设备投资高，阻燃处理费用高。

5 木材阻燃研究的发展趋势

随着我国阻燃法规的建立和健全，以及阻燃技术的发展，木材阻燃剂的研究和开发将会迅速地广泛开展起来。木材阻燃研究的发展趋势包括以下几方面内容。

5.1 研发新型阻燃剂

随着社会的发展和进步，用户对木材阻燃剂功能的要求也逐步提高。木材阻燃剂不仅要有阻燃性同时还应具有抑烟性、防腐性、防虫（防朽）性和结构尺寸的稳定性；阻燃剂成分不易水溶解而具有耐久性；火灾时不会放出有毒气体，并可控制烟量，不污染环境，阻燃剂低成本、无卤化、一剂多效，开发功能复合的新型阻燃剂，将成为木材阻燃剂发展的主要方向之一。开发新型阻燃剂的重点是：可一次或几次操作处理木材；药剂的酸碱性对木材损伤侵蚀最小；药剂及处理经济性好；要保持木材的优良特性，并以最小的量取得最大的效果。

5.2 探索阻燃机理

了解阻燃机理是木材阻燃的基础，这将有助于我们更好地了解这些化学药品是如何起作用的，并将为我们组合新的阻燃体系提供有效的途径，从而可回避反复摸索；应借助先进的分析仪器如色谱和质谱分析仪来分析气相反应区的燃烧机理和有毒气体的毒性分析；用TG、DTA仪及热图象分析仪分析凝聚相反应；用电子显微镜技术研究凝聚相内的物理变化。

5.3 研究要与生产工艺和实际需要相结合

目前的大多数研究是在实验室进行，实验室处理的木材试件阻燃效果很好，实际应用时阻燃效果却不理想，这是因为试样尺寸偏小，与生产使用的木材尺寸差异较大而引起的，其最大的问题在于注入深度不够，不均，导致阻燃效果不理想，这点要特别引起重视，要在实验和生产过程中逐步改进。

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Research on Wood Flame-retardant and Development Trend

GA Li-ba,LIU Shu,WANG Lu-ying and ZHANG Yuan-yuan
（College of Chemical and Materials Science,Liaoning University of Petroleum and Chemical Technology,Fushun 113001,China）

In recent years,with establishing regulations and improved flame-retardant technology,new wood flame-retardants and flame retardant technology constantly emerges.The chemical composition of wood and the combustion process,retardant type,the mechanism of fire retardant,fire-retardant treatment of wood and the advantages and disadvantages of various treatment methods were describes.Also the development of fire-retardant research at home and abroad is introduced,and some suggestions are proposed about the future development of industry of wood fire retardant in our country.The development trend of wood fire retardant is that developing new composite flame-retardant with more than one effect,while further exploring the flame retardant mechanism to provide effective means for combination of new fire-retardant systems.The combination of wood flame-retardant with the actual market demand provides a theoretical basis for the production and application.

Wood;flame retardant;development direction

TQ314.248

A

1001-0017（2012）04-0068-04

2011-03-31 *

嘠力巴（1987-），女，内蒙古克什克腾旗人，在读研究生，研究方向：木材阻燃性能研究。