納米氧化鎂對木材的阻燃特性

云維采，紀全，譚利文，宗魯，夏延致

(山東省海洋生物質纖維材料及紡織品協同創新中心，青島大學 化工學院，山東青島 266001)

木材及其制品在人類社會歷史上有著無可替代的作用，木材現在不僅用于建筑方面［1］，而且其他的木質復合材料也在迅猛發展。木材屬于易燃物品，對其阻燃特性的研究，從古至今人們做了大量的嘗試。而隨著社會的不斷發展，人們對木制品阻燃劑的要求越來越高，無毒、綠色的阻燃劑開始成為人們的首選［2］。

木材的阻燃處理方法主要有浸漬法、物理混合法、阻燃涂料涂敷法及化學法［3］。目前，木材所用的阻燃劑主要有磷系、氮系、鹵素系、硼系［4］及其復合體系。阻燃劑主要通過催化成炭、釋放自由基、在木材表面形成保護層、增加木材的熱傳導系數、用不燃性氣體稀釋木材中釋放的可燃性氣體和減少揮發氣體的熱含量［5-6］等方法來實現阻燃效果。阻燃木材的方法已經相當成熟，但大多數木材用阻燃劑會對環境造成很大的危害。本文將納米氧化鎂作為一種阻燃劑加入到木粉中，其一是因為納米材料粒子尺寸較小，具有較好的阻隔性能［7］，所以近年來越來越多的納米物質被用于阻燃劑中;另一方面，經證明金屬離子或金屬化合物能夠改變纖維素生物質材料的裂解途徑，有很好的阻燃效果［8］。納米氧化鎂是一種無毒的金屬化合物，且氧化鎂本身就具有很好的耐熱和隔熱性能，故將其作為阻燃劑加入到木粉中，以對木材的阻燃性進行研究。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

納米氧化鎂，分析純。

SK3300H 超聲波清洗器;IKA，RW20 digital 物理攪拌器;DHG-9240A 型電熱恒溫鼓風干燥箱;HC-2 氧指數儀;ASTM M1354 型錐形量熱儀。

1.2 樣品制備

稱取一定量的納米氧化鎂粉末加入到200 mL的蒸餾水中，然后將其超聲分散為均勻的懸浮液;稱取40 g 木粉，加入已經制備好的懸浮液中，用物理攪拌機攪拌均勻后，放于烘箱中烘干直至質量不再發生變化得到阻燃樣品。另取40 g 木粉，不添加納米氧化鎂，其他步驟同上，制出的樣品作為對照樣備用。

1.3 測試與表征

1.3.1 極限氧指數測試(LOI) 極限氧指數(LOI)是在氮氧混合氣體中，維持樣品有焰燃燒2 min 或陰燃損耗50 mm 所需的最低氧氣百分數［9］，是用來表征阻燃效果的參數。按GB 4545—1997 使用HC-2 氧指數儀測定。

1.3.2 錐形量熱測試(CONE) 取木粉和納米氧化鎂的混合物以及對照樣各14 g 放于錫箔紙中，制成(100 mm×100 mm×4 mm)的樣品放于剛玉試樣盒中進行錐形量熱儀的測試。進行測試時采用的是英國FIT 公司生產的ASTM M1354 型錐形量熱儀，所用的熱輻射功率為50 kW/m2。

1.3.3 殘炭率的計算 根據錐形量熱的結果，拋除納米氧化鎂的質量后，計算樣品燃燒后剩余殘渣中的殘炭率。

2 結果與討論

2.1 樣品的阻燃性能

納米氧化鎂樣品的氧指數見表1。

表1 納米氧化鎂樣品的氧指數Table 1 The LOI of the nano-MgO samples

由表1 可知，純樣品的極限氧指數21%，屬于易燃材料;當納米氧化鎂加入量為9.0%和11.1%時氧指數23% 和26%，有一定的阻燃效果，但阻燃效果并不可觀;而當納米氧化鎂的加入量為20%和16.7%時，極限氧指數可達33%和31%，氧指數分別提高了12%和10%，阻燃效果顯著，已有較好的阻燃效果，根據極限氧指數，當氧化鎂加入量為16.7%時就可以達到很好的阻燃效果。

2.2 錐形量熱分析

錐形量熱儀是根據氧消耗原理設計的測定材料燃燒性能的儀器，錐形量熱儀的實驗條件同真實的火災條件很相近，它能最大程度上模擬出材料在實際情況下燃燒的各種參數。熱釋放速率(HRR)是錐形量熱中的一個重要參數，表征單位面積樣品釋放熱量的速率;總熱釋放量(THR)是材料從燃燒開始到火焰熄滅后釋放總的熱量;煙生成速率(SPR)和總生煙量(TSR)表示材料在燃燒過程中的煙釋放情況。鑒于氧化鎂加入量為16.7%時就可以達到很好的阻燃效果，故以氧化鎂加入量為16.7%來研究氧化鎂對木材的燃燒特性的影響。

2.2.1 熱釋放量分析 由圖1 可知，木材在燃燒過程中會出現2 個大的熱釋放峰，第1 個熱釋放峰值是在燃燒前期，樣品預熱后迅速燃燒引起的，之后熱釋放速率隨著燃燒后殘渣的覆蓋而減緩;第2 個熱釋放峰值出現在有焰燃燒階段，火焰沖破阻隔層而釋放大量的熱量。由圖1 和圖2 可知，添加納米氧化鎂后的木粉和純木粉的HRR 的曲線是相似的，兩者在燃燒過程中都會產生兩個較大的熱釋放峰，但添加nano-MgO 后的木粉的熱釋放速率和總熱釋放量明顯減少，處理前熱釋放速率最大為143.31 kW/m2，總熱釋放量為13.01 MJ/m2;而加入納米氧化鎂后最大的熱釋放速率為44.93 kW/m2，總熱釋放量為4.78 MJ/m2，減少了約2/3，這是可能因為氧化鎂是一種高溫絕熱材料，而納米氧化鎂與木粉混合后均勻的覆蓋在木粉表面，作為一層保護層隔絕了木粉與氧氣的接觸以及熱量的傳遞，同時氧化鎂可能會參與燃燒反應，使參加反應的可燃物減少，從而使熱釋放速率和總熱釋放量降低。物質在燃燒過程的火勢與放熱量的大小有很大關系，放熱量越低，火災的安全隱患就會越低。

圖1 純木粉和16.7%納米氧化鎂添加量樣品的熱釋放速率Fig.1 Heat release rate for pure wood powder and 16.7% nano-MgO sample

圖2 純木粉和16.7%納米氧化鎂添加量樣品的總熱釋放率Fig.2 Total heat release for pure wood powder and 16.7% nano-MgO sample

2.2.2 煙釋放分析 煙是混合了空氣中懸浮固體粒子、沒有燃燒的有機物、燃燒時釋放的一些氣體和水汽等的混合物。SPR(煙生成速率)表示單位質量的樣品在燃燒時所產生的煙，TSR(總生煙量)表示單位面積樣品在燃燒時產生的煙總量。

圖3 純木粉和16.7%納米氧化鎂添加量樣品的煙生成速率Fig.3 Smoke production rate(SPR)for pure wood powder and 16.7% nano-MgO sample

圖4 純木粉和16.7%納米氧化鎂添加量樣品的總生煙量Fig.4 Total smoke rate(TSR)for pure wood powder and 16.7% nano-MgO sample

由圖3 和圖4 可知，添加納米氧化鎂后的樣品的煙產生速率與純木粉的煙產生速率很不相同，添加了nano-MgO 后的樣品在剛開始燃燒時有少量的煙放出，在之后的有焰燃燒和最后的無焰燃燒階段煙釋放量幾乎為零，總煙產生量也大幅度減少，僅為0.97 m2/m2，遠遠低于純木粉的132.62 m2/m2，說明經納米氧化鎂處理后的木粉具有良好的抑煙性能。這是因為nano-MgO 與木粉混合后能均勻的存在于木粉中，燃燒時納米氧化鎂參與到其燃燒過程中，改變了其裂解歷程，從而使其在裂解燃燒過程中釋放的不燃煙氣粒子減少。

2.2.3 CO 釋放量分析 CO 的產生主要是由于樣品的不完全燃燒引起的，CO 在材料燃燒時的釋放量取決于樣品中有機物的化學性質、氧氣的利用和火的溫度［10-11］，CO 氣體在火災時過多的釋放會導致人窒息。由下圖可看出，純木材在燃燒過程中大量的釋放CO，在230 s 時CO 釋放量達到最大值13.28 kg/kg，添加納米氧化鎂的樣品CO 總釋放量減少，在225 s 時達到最大值僅為0.71 kg/kg;錐形量熱結果可得，整個測試過程中，純木粉CO 的總產率為22.87 kg/kg，添加納米氧化鎂后的木粉CO 總產率為3.78 kg/kg，說明添加納米氧化鎂后CO 產率明顯減少，發生火災時對人的危害也隨之減少。

圖5 純木粉和16.7%納米氧化鎂添加量樣品的CO 產率Fig.5 The CO yields of pure wood powder and 16.7% nano-MgO sample

2.3 殘炭分析

根據錐形量熱前后樣品的質量變化來計算樣品的殘炭率。純木粉的殘炭率為:

添加納米氧化鎂后樣品的殘炭率為:

m0為測試前樣品的質量;m1為樣品錐形量熱之后的質量;m 為樣品中納米氧化鎂的質量。此處計算殘炭率時假設加入的氧化鎂質量在燃燒前后沒有發生變化。

純木粉的m0為13. 95 g，m1為3. 15 g，由此可得:

添加了16. 7% 的納米氧化鎂的樣品的m0為13.61 g，m1為6.00 g，由m0可求出m 為2.27 g，由此可得:

經錐形量熱測試后，純木粉的殘炭22.6%，添加納米氧化鎂后的樣品殘炭率為32.9%，殘炭率提高10%。殘炭率的增加說明添加納米氧化鎂后的木粉在燃燒時殘渣中能夠存留更多的可燃物，參與燃燒的物質明顯減少;高分子材料的殘炭率與氧指數也存在一定的線性關系，殘炭率的增加在一定程度上能夠提高物質的氧指數。

3 結論

以納米氧化鎂作為阻燃劑，將納米氧化鎂分散成均勻的分散液，利用物理機械攪拌的方法將納米氧化鎂和木粉混合均勻制成所需的樣品，進行極限氧指數、錐形量熱和殘炭率計算。

(1)極限氧指數測試表明經納米氧化鎂處理后的木粉的氧指數明顯增大，當納米氧化鎂添加量為16.7%時，氧指數達到31%，具有很好的阻燃效果。

(2)錐形量熱測試結果表明經納米氧化鎂處理后的木粉與純木粉相比，熱釋放速率和總熱釋放量大幅度減少，煙釋放量和CO 釋放量也明顯減少，這些結果表明經納米氧化鎂處理后的木粉能夠有效的降低火災所帶來的危險。殘炭率結果表明，添加氧化鎂后能顯著提高樣品的殘炭率，殘炭率提高10%左右。

(3)納米氧化鎂作為阻燃劑添加到木粉中，一方面，作為物理屏障層，隔絕氧氣與木粉的接觸和熱量的傳遞;另一方面，納米氧化鎂可能會參與木材的燃燒反應，改變其裂解歷程，使更多的可燃物存留下來，達到阻燃的目的。

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