生物质材料的阻燃研究与进展

吴赫赫，张同叶，王晓柯

（东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

一直以来，生物质材料被广泛用于生产生活的各个方面。工业革命后，由于石油等化石燃料的开发与利用以及塑料等新材料的出现，人们对生物质材料的重视程度有所下降。近年来，由于化石燃料不断衰减的储备以及白色污染等问题，人们将目光再次投向了具有可再生、可降解和绿色环保等特性的生物质材料，然而生物质材料大多易燃，这也大大增加了火灾的隐患。因此，对生物质材料的阻燃性研究势在必行。

1 木材的阻燃研究

木材在一定程度上具有环境调节特性，其天然的纹理和质感也让人们感到非常舒适，是一种十分“宜居”的材料。因此从古至今木制品都备受人们推崇，被广泛地应用于房屋建筑以及室内装饰中。木材是一种易燃的生物质材料，其所含的主要元素是碳、氢、氧，因此木材在用于建筑及装饰领域时必须对其进行阻燃处理，消除其火灾隐患。

1.1 木材燃烧过程

阻燃的本质是抑制或破坏材料燃烧条件，因此要想研究阻燃机理，前提是了解生物质材料的燃烧过程。温度（着火点）、可燃物、助燃剂、链式自由基反应是材料燃烧的四要素，只要破坏这四个要素中的任意一个或多个便可达到阻燃目的。

以木材为例，生物质燃烧过程的几大阶段是：

吸热阶段。当温度小于260 ℃时，木材并不燃烧，其化学组分也不发生变化，木材中的水分吸收热量而蒸发，因此这一阶段也被称为干燥阶段。

有焰燃烧阶段。当温度在260～450 ℃时，木材中的纤维素、半纤维素和木质素逐渐受热分解，产生可燃性的挥发分，如二氧化碳、甲烷、焦油等，这一阶段主要发生木材分解所产生的气体的燃烧，因而会产生有颜色的火焰。

无焰燃烧阶段。当温度超过450℃而小于1 500℃时，几乎无气体及液体产物产生，主要发生在木材表面处的燃烧，即木炭燃烧。

1.2 木材阻燃机理

木材的阻燃机理就是通过一系列物理或化学手段，使木材缺少燃烧所需的一个或几个必备的条件，从而达到阻燃目的。由于木材结构和组成具有很大的各向异性，其阻燃机理也较为复杂。根据国内外学者的研究，可大致将木材阻燃机理归纳整理如图1。

图1 木材阻燃机理

木材的三种最主要的阻燃机理是：

覆盖理论。阻燃剂与火焰接触时熔融分解，在木材表面形成了一层流体或泡沫状的盐类或氧化物薄膜，覆盖在木材表面的这层薄膜不但抑制了木材受热分解产生的可燃气体逸出，且隔绝了木材表面热量和氧气的供给，在基质与氧气之间起着屏障的作用。

成炭理论。阻燃剂受热产生催化木材中纤维素或半纤维素等高分子链吸水或脱水的物质或基团，使其炭化，改变了木材的热解途径，使可燃性气态产物、焦油等挥发分的生成量降低，难燃的木炭产量增加，从而降低热释放率，减缓热解速率。

气体稀释理论。某些阻燃剂受热时释放出氮气、氨气和结晶水等难燃性气体，稀释了木材因热解而产生的可燃性气体，同时降低了木材表面氧气的浓度，进而达到较好的阻燃效果。

1.3 木材阻燃处理方法

木材的阻燃处理方法有物理处理和化学处理。物理阻燃方法是一种不改变木材的结构及木材化学成分也不使用化学药剂的阻燃方法。化学阻燃法是向木材中加入各种阻燃剂，燃烧时阻燃剂与木材发生各种化学反应，使其热解过程发生变化，从而对木材的燃烧性能进行抑制以阻止木材燃烧和火焰的传播。化学阻燃法一般有表面涂敷、浸渍法及化学改性等。近年来，也不断涌现了许多新兴的阻燃处理方法，如微波法、超声波法、高能辐射法、辐射法等。

1.4 木材阻燃剂

阻燃剂是含有阻燃元素（如磷、氮、硼和卤素）的一类化合物或混合物。木材阻燃剂的种类有很多，根据人们所研究问题的侧重点不同，木材阻燃剂的分类方式也有所不同，往往采用综合分类法。如图2为常用木材阻燃剂分类。

图2 木材阻燃剂分类

按阻燃剂的基本化学性质分类是最常用的分类方法，下文主要从该角度进行归纳总结。

无机阻燃剂。无机阻燃剂具有低烟、无毒，热稳定性好、价格便宜等优点，是使用最早、最广泛的一类阻燃剂，然而有容易吸湿的缺点。无机阻燃剂主要有以下几类：①磷-氮系列阻燃剂；②硼系列阻燃剂；③卤素系列阻燃剂；④金属系列阻燃剂。

有机阻燃剂。有机阻燃剂是在有机小分子聚合或缩聚过程中，加入磷或卤素等阻燃元素，使其参加反应，结合到高聚物的主链或侧链中形成的一类阻燃剂。通过这种方式得到的阻燃剂可以抗流失，对物理力学性能的影响也较小。

树脂型阻燃剂。树脂型阻燃剂可解释为在树脂中掺入阻燃类化合物的一类阻燃剂，其中阻燃类化合物起主要的阻燃作用，树脂则起到抗流失的作用，同时树脂也有一定的阻燃作用。一般通过两种方式制得：①在配方中加入低聚合度合成树脂，浸注木材，经干燥后树脂固化，对配方中的易流失阻燃成分（常为无机盐）产生包覆固着作用，改善阻燃剂的抗流失、迁移和吸湿性；②在树脂制造过程中加入磷酸等有阻燃作用的化合物，通过树脂固化形成的阻燃剂。树脂型阻燃剂与有机阻燃剂的区别是，前者是简单的物理混合，而后者则发生了化学反应。

卤素阻燃剂在燃烧时放出大量腐蚀性气体和有毒烟雾，污染环境并对人体和设备造成危害，无卤阻燃剂成为当今木材阻燃剂的发展方向。如今具有单一阻燃作用的常规阻燃剂往往不能满足需要，在生产生活中往往要求一剂多效，不但能提高木材阻燃性能，还能赋予木材防腐、抑烟、尺寸稳定等其他优良性能，同时对木材的物理力学性能没有较大影响。

2 竹材的阻燃研究

与木质材料相比，竹质材料含有更高的纤维素和半纤维素，更低的木质素和抽提物，所以竹材更易燃烧且反应剧烈、烟雾量较大。随着竹质材料在家具、装饰和公共场所使用量的不断增加，加强对竹质材料的阻燃处理已成必然需要。由于竹质材料具有与木质材料相似的物理、化学性质，故目前竹质材料的阻燃研究与木质材料的阻燃研究有许多相似之处。竹质材料也有着与木材不同的自身特性，例如，构成竹壁的竹青、竹肉和竹黄存在着显著的物理力学性能和化学成分差异；竹质材料主要由轴向薄壁细胞和维管束系统组成，没有横向组织。这些独特的特征都造成了竹材阻燃与木材阻燃的不同。竹质材料的阻燃常用化学处理法（即向竹材中添加阻燃剂），分为表面处理（表面涂覆法）、深层处理（浸渍处理工艺）、复合法、化学改性法。目前，在竹质材料的阻燃处理研究与应用中，用得最多的是硼类化合物阻燃剂、磷氮系阻燃剂和有机磷-氮-硼复合阻燃剂。与木材阻燃性能测试分析方法类似，竹质材料阻燃性能的测试常用的是锥形量热仪法、氧指数法、热分析法、烟密度、氧指数、水平垂直燃烧、红外光谱分析法和核磁共振波谱法。

3 织物的阻燃研究

织物广泛应用于服装、家纺、军工、医疗卫生、土木建筑、航空航天、轨道交通等多个领域中，而其易燃性是一大隐患。织物一旦进入轰燃阶段将难以熄灭，尤其是在高层建筑火灾中，消防扑救作业更是举步维艰，因此，提升织物的阻燃性尤为关键。织物是由天然或化学纤维网络组成的柔性材料，因而普遍具有质地轻薄、柔软、易加工等优良特性，有着其特殊的阻燃处理技术。目前，获得阻燃性织物的主要途径之一是在织物表面进行阻燃处理，具体方法有物理沉积法、化学表面改性法、溶胶-凝胶法和层层自组装法。物理沉积法是常见的表面处理技术，沉积在织物表面的阻燃剂之间及阻燃剂和织物之间，阻燃剂的分子结构并不需要特殊设计，物理沉积的加工工艺常用的加工工艺包括浸轧焙烘、浸渍烘燥、涂布、喷雾、有机溶剂浸泡等。表面化学改性法是一种将可以与织物的活性基团发生化学反应的官能团引入阻燃剂当中，使阻燃剂通过化学反应固定在织物上的方法。溶胶-凝胶法是一种由底至上的合成方法，硅、金属醇盐等常常在溶胶-凝胶技术中被用作前驱体，经过水解反应、缩合聚合形成溶胶粒子，在充分搅拌下，溶胶进一步通过缩合反应形成凝胶，将织物浸渍-干燥后，硅凝胶在织物表面形成致密的二氧化硅网络涂层以达到阻燃的效果。未来的织物阻燃处理技术发展重点将是如何有机地结合高品质与多功能，实现功能性阻燃织物的实用化，以此推动织物表面处理技术在可穿戴电子、家具、衣物和防护用品等领域的广泛应用。

4 结语

随着我国“双碳”政策的不断推进和完善，以及世界范围内对节能减排、绿色环保要求的不断提高，阻燃剂也越来越资源化、绿色化、廉价、可再生和功能化，今后，综合性能优越的阻燃材料将会受到更加广泛的关注和应用。如何在增强生物质材料阻燃性的同时保证其力学强度以及其他优秀特性是未来发展中必须考虑的因素。目前研究的挑战主要是开发新型阻燃剂及阻燃处理技术，在已有技术的基础之上，未来的阻燃剂及阻燃表面处理技术将能够同时实现多种功能，尽可能简化后整理流程、降低处理难度，满足各种场景中的使用要求。在开发新技术的过程中，也必须考虑阻燃剂及处理方法与现有生产过程的兼容性，从而进一步降低生产成本，避免在处理工序中出现阻燃剂及功能组分脱落、失活等现象。