阻燃剂的复合协同作用能够有效地提高木材阻燃和抑烟性能。采用锥形量热和热分析技术研究了复合阻燃剂对杨木粉的阻燃与抑烟作用。结果表明：α-ZrP 与APP 复配使用，能有效降低杨木粉的热释放速率(RHRR)、总热释放量(QTHR)、烟生成速率(RSPR) 和总烟释放量(QTSP)，促进炭的和有效提高炭的稳定性，表现出显著的阻燃效应和抑烟特性。分散在木材表面的层状α-ZrP 对烟气的高效吸附和催化转化作用，可能是α-ZrP-APP 复合阻燃剂高效阻燃抑烟的根本原因。

　　随着人们生活水平的逐步改善，建筑和室内装饰用木材消耗量逐年上升。然而，木材属于可燃、易燃材料，容易导致火灾蔓延，木材燃烧时释放出雾毒气、减少人员伤亡和财产损失具有重要的意义。

　　木材阻燃剂通常是各类阻燃剂的复合体系，不但可以起到协同阻燃和抑烟作用，而且能减少阻燃剂的用量。聚磷酸铵(APP) 来源广、价格低廉、阻燃效率高，因而广泛应用于木质材料的阻燃。但是APP 吸湿性强、易流失、易迁移到材料的表面，在阻燃过程中会放出大量的烟雾和毒气，烟雾产量是对照的1.76 倍，CO 总产量是对照的5.52 倍。因而，APP 一般需要与其他阻燃剂或抑烟剂复配使用，以达到协同阻燃和抑烟作用。

　　(5) 本身具有固体酸催化功能，并在催化反应过程中出现选择性等优异特性。

　　近年来，有关聚合物/α-ZrP 纳米复合材料的制备及性能研究引起科研工作者的关注，结果表明，该纳米复合材料的热解温度和稳定性提高，阻燃性能得到改善，这主要由于其层状结构可以起到隔热保护作用。

　　取1.0 g APP溶于20 mL 水中，加入0.5 g 干燥的α-ZrP，搅拌均匀，然后将上述浑浊液缓慢加入到15.0 g 杨木粉中，研磨均匀，95 ℃干燥数小时，所得样品即为s-ZrP-APP。对照样品用1.5 g APP处理，制备过程相同，记为s-APP。

　　X- 射线衍射仪(XRD)，MSAL-XD2， 扫描范围为5 º ～ 70 º，扫描速率为8 º/min。热失重分析(TGA)，SDT Q-600，氮气，升温速率10℃ /min。锥形量热仪，Stanton Redcroft Inc.， 参照ISO5660-1标准，准备样品。为了使实验温度接近火灾真实温度，本实验采用热辐射功率50 kW/m2，相应温度760 ℃。实验参数由仪器自动记录或计算，获得热释放速率(RHRR)、总热释放量(QTHR)、烟生成速率(RSPR)、总烟释放量(QTSP)、比消光面积(RSEA)和有效燃烧热(HEHC) 等燃烧参数

　　图1给出了α-ZrP及其有机改性产物ZrP-OH的热分析曲线。α-ZrP的热分解反应按两步进行，第一步是失去结晶水的过程，其最大失重温度在140℃左右；第二步是α-Zr(HPO4)2中的P-OH基团发生缩合形成ZrP2O7的过程，其最大失重温度在570℃左右。ZrP-OH的热降解主要分为两个步骤，第一步是由于脱除吸附水所引起的热失重(最大失重温度100℃左右)；而在150—400℃区间内发生的50％左右失重则是由于有机改性剂的降解所引起的。

　　热释放速率(RHRR) 是表征火灾强度的重要参数，称为火强度。RHRR 或者热释放速率峰值(RHRR,p) 越大，表明单位时间内燃烧反馈给材料单位面积的热量就越多，材料的热解加快、挥发性可燃物生成量增加，从而加速了火焰的传播。因此，RHRR 或者RHRR,p 越大，材料在火灾中的危险性越大。

　　如图2(a) 所示， 经APP 和α-ZrP-APP 阻燃处理后杨木粉的RHRR 值均大大降低。所有样品的RHRR 均在初始阶段达到峰值，随后不断减小，这是因为初始阶段的有焰燃烧释放的热能更大。表1为锥形量热实验测得的具体参数，杨木粉( 样品s-0) 的RHRR,p 为286.06 kW/m2，平均热释放速率(RHRR,m) 为73.53 kW/m2。以杨木粉为参照样，阻燃样品s-ZrP-APP 的RHRR,p(128.71 kW/m2) 下降了53.6%，RHRR,m(35.69 kW/m2) 下降了55.6%，说明经α-ZrP-APP 复合阻燃剂阻燃处理后，杨木热分解生成可燃性挥发产物的速度降低，火强度降低，

　　这对于降低热量向杨木粉的反馈非常有利。这一结果，很好地说明了α-ZrP-APP 复合阻燃剂对杨木具有显著的阻燃作用。其中，阻燃样品s-APP的RHRR 和QTHR 值最小，这是因为样品s-APP 中阻燃剂APP 的质量百分比最高(10%)。

　　图3(a) 是纯杨木粉、APP 和α-ZrP-APP 阻燃后样品在50 kW/m2 热辐射作用下的烟生成速率(RSPR) 曲线。可以看出，杨木粉(s-0)RSPR 值在25 s 时达到最大值0.020 3 m2/s，这是因为初始(0 ～ 100 s) 阶段为热分解过程，放出大量的烟气；而100 s 后为残余的炭烧过程，烟生成速率不断减少。而经APP阻燃处理的样品在点燃阶段(10 s) 的RSPR 达到最大值0.029 0 m2/s，随后在35 s 又出现第二个峰值(0.008 84 m2/s)。对比杨木粉和s-APP，α-ZrP-APP复合阻燃剂处理样品(s-ZrP-APP) 的RSPR 值在5s时最大(0.005 14 m2/s)，并分别下降了74.7% 和82.3%。结果表明，α-ZrP 具有显著的抑烟作用。与杨木粉相比，由于阻燃炭化作用，阻燃样品(s-ZrP-APP、s-APP) 在点燃过程中放出了较多的烟气，因而其烟生成速率峰值的时间提前。

　　由图3(b) 观察到，杨木粉(s-0) 总烟释放量(QTSR) 曲线 s 以后基本平行，说明燃烧过程中产生的烟主要来源于热分解，这与RSPR 分析一致。经APP 阻燃处理后样品(s-APP)QTSR 略有减少，为未阻燃杨木粉的QTSR 的70.9%，并随时间不断增加，200 s 达到最大值，这主要由于APP 有催化成炭作用，为不完全燃烧，会不断产生烟气。而α-ZrP-APP复合阻燃剂处理后样品(s-α-ZrP-APP) 的QTSR大幅度降低， 为杨木粉的TSR 的15.1%， 为APP 阻燃样品的21.3%，TSR 曲线 s 基本趋于平缓，说明α-ZrP-APP 复合阻燃剂具有显著的抑烟作用。这可能归因于α-ZrP 为层状结构、具有较大的比表面积和具有固体酸催化功能，因而对释放出的烟气具有一定的吸附功能和催化转化作用。

　　比消光面积(SEA)，是消耗单位质量样品所产生的烟气量的度量，有效燃烧热(HEHC) 则表示在某一时刻t 所测得的材料燃烧的热释放速率与材料的质量损失率之比。

　　如图4(a) 所示，α-ZrP-APP 阻燃样品的RSEA值最小，意味着实验条件下消耗单位质量s-ZrPAPP阻燃样品所产生的烟气量最小，说明α-ZrPAPP阻燃剂具有优异的抑烟作用。同时可以看出，经APP 阻燃处理样品(s-APP) 的SEA 曲线 s出现最大值，随后在35 s 又出现了第二个峰值，这与RSPR 曲线完全相吻合。同样，纯杨木粉的RSEA 与RSPR 曲线呈现出相同趋势。上述结果，也进一步证实了α-ZrP 具有优异的抑烟特性。

　　HEHC 与RHRR 结合起来有助于研究阻燃机理的类型，通常，气相阻燃机理的挥发物燃烧不十分完全，HEHC 比较小；凝聚相阻燃机理的挥发物燃烧相对而言比较完全，HEHC 比较大[8]。从图4(b)中可以看出，阻燃处理样品s-APP 和s-ZrP-APP的EHC 曲线趋势一致，HEHC 值均较小，这表明α-ZrP-APP 复合阻燃剂和APP 在杨木粉中阻燃机理相同，凝聚相阻燃机理占主导，其阻燃作用主要为催化成炭。

　　图5 为α-ZrP、APP 和α-ZrP-APP 阻燃处理后样品的热重分析曲线。可以看出，经APP 和α-ZrP-APP 阻燃后的样品热失重分为两个阶段。在200 ～ 300 ℃范围失重明显，这是因为木材在260 ℃会发生剧烈的热分解反应，产生大量可燃烧性和不燃性气体；而300 ℃以后失重缓慢，这是由于在阻燃剂的作用下催化生成更多的炭，起到隔热隔气作用，阻碍木材继续分解。高温(750 ℃ ) 热分解后APP 和α-ZrP-APP 阻燃后样品的炭残余量较多，分别为23.6% 和32.9%，很好地验证了α-ZrPAPP复合阻燃剂的阻燃作用主要为催化成炭云搏娱乐场官方下载，与HEHC 结果一致。在整个热分析过程中，α-ZrP-APP阻燃样品的残余量更多，说明了α-ZrP-APP 复合阻燃剂具有更好的成炭作用，这主要由于α-ZrP 为层状结构、且热稳定性好，因而在高温下能够起到一个隔热屏障作用，提高了炭层的热稳定性，从而表现出优异的阻燃和抑烟作用。

　　(1)α-ZrP-APP 复合阻燃剂能有效降低杨木粉的热释放速率(RHRR)、总热释放(QTHR)、烟生成速率(RSPR) 和总烟释放量(TSP)。阻燃过程中，α-ZrP 不仅能促进炭的生成，而且其层状结构能够起到隔热抑烟作用，同时增加了炭层的热稳定性，表现出显著的阻燃抑烟作用。

　　(2)α-ZrP 为层状结构、具有较大的比表面积和固体酸催化功能，对烟气具有高效吸附和催化转化作用，可能是α-ZrP-APP 复合阻燃剂具有优异的抑烟作用的根本原因。

　　出处：网络（中南林业科技大学 材料科学与工程学院；竹业湖南省工程研究中心。夏燎原，胡云楚，吴义强，袁利萍，姚春花）