馬里蘭大學胡良兵Adv. Funct. Mater.：密實、自形成的炭層使阻燃木材結構材料成為可能

【引言】

木屋和家具的可燃性是發生火災并造成人員傷亡的一個主要原因，僅2016年美國就發生了130多萬起火災，造成約3390人死亡。木材是最古老的建筑材料之一，由于其輕質、堅固、隔熱和電絕緣性能，常用于建筑、家具和裝飾等。然而，防火安全性成為了限制其應用于結構材料的主要因素。通過物理滲透將鹵化阻燃劑浸漬到木材孔隙中是一種傳統的阻燃處理方法，然而這些阻燃劑無法滿足現代建筑對環境和健康的嚴格要求。最近，納米技術和仿生設計的發展為改善木材的阻燃性帶來了更加環保的解決方案。例如，將木材與無機納米粒子雜化，可以獲得具有良好耐熱性和阻燃性的功能性無機/有機材料。然而，納米顆粒涂層對于商業用途而言仍然比較昂貴，并且其結構強度和穩定性也不能令人滿意。

【成果簡介】

近日，美國馬里蘭大學胡良兵教授課題組開發了一種利用脫木素輔助致密化的策略，從而實現了以環保、低成本和可擴展的方式同時提高木材的機械強度和阻燃性能。研究發現，通過脫木質素和致密化過程可以形成高密度的層壓木材結構。這種致密的層壓結構不僅有效地降低了材料的透氣性，還能夠在木材表面上形成絕緣炭層。致密的木炭層通過減少熱量和氧氣擴散來改善阻燃性，這在降低熱釋放速率和阻礙燃燒反應中起著至關重要的作用。該成果以題為"Dense, Self-Formed Char Layer Enables a Fire-Retardant Wood Structural Material "發表在國際著名材料期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 阻燃致密木材的工作原理示意圖

(a) 具有取向纖維素納米纖維的木材，其致密結構限制了材料內的氧氣量；

(b) 著火后，在致密木材外部形成的木炭起到保護內部結構的作用；

(c) 致密木材的抗壓強度顯著高于天然木材，致密木材的最大放熱率顯著低于天然木材，表明致密木材具有良好的機械性能和優異的阻燃性能。

圖2 天然和致密木材的形貌和結構表征

(a) 天然木材的SEM圖像：截面圖；

(b) 天然木材的SEM圖像：頂視圖；

(c) 致密木材的SEM圖像：截面圖；

(d) 致密木材的SEM圖像：頂視圖；

(e) 天然木材、致密木材和木炭樣品的FTIR光譜；

(f) 在錐形量熱計中燃燒后致密木材的照片。

(g) 燃燒后致密木材外層頂視圖SEM圖像；

(h) 燃燒后致密木材中間層頂視圖SEM圖像；

(i) 燃燒后致密木材內層頂視圖SEM圖像。

圖3 錐形量熱儀的點火測試結果

依據天然木材和致密木材的外部熱通量值繪制了tig的數據點和擬合曲線。

(a) 臨界熱通量(q_crit)得以確定；

(b) 熱響應參數(TRP) 得以確定。

圖4 天然木材和致密木材的燃燒行為對比

(a) 外部熱通量為30 kW m^-2時天然木材和致密木材的HRR曲線；

(b) 天然木材的燃燒行為示意圖；

(c) 致密木材的燃燒行為示意圖；

(d) 外部熱通量為30 kW m^-2時天然木材和致密木材的點火時間；

(e) 外部熱通量為30 kW m^-2時天然木材和致密木材的平均熱釋放率；

(f) 外部熱通量為30 kW m^-2時天然木材和致密木材的有效燃燒熱。

圖5 天然木材和致密木材的抗壓強度對比

(a) 天然木材和致密木材樣品燃燒0 s時間后的壓縮試驗示意圖；

(b) 天然木材和致密木材樣品燃燒0 s時間后，對應的壓縮應與木材樣品壓縮位移的關系圖；

(c) 天然木材和致密木材樣品燃燒0 s時間后，天然木材和致密木材的抗壓強度對比；

(d) 天然木材和致密木材樣品燃燒60 s時間后的壓縮試驗示意圖；

(e) 天然木材和致密木材樣品燃燒60 s時間后，對應的壓縮應與木材樣品壓縮位移的關系圖；

(f) 天然木材和致密木材樣品燃燒60 s時間后，天然木材和致密木材的抗壓強度對比；

(g) 天然木材和致密木材樣品燃燒90 s時間后的壓縮試驗示意圖；

(h) 天然木材和致密木材樣品燃燒90 s時間后，對應的壓縮應與木材樣品壓縮位移的關系圖；

(i) 天然木材和致密木材樣品燃燒90 s時間后，天然木材和致密木材的抗壓強度對比；

(j) 燃燒不同時間后，天然和致密木材的抗壓強度的變化；

(k) 燃燒不同時間后用于壓縮試驗的木材樣品的照片。

【小結】

本文中，作者發展了一種有效的、環境友好的方法來顯著改善木材的阻燃性能，其是通過脫木素和致密化的策略來實現的。致密化過程消除了細胞壁之間的空間，從而獲得高度緊湊的層壓結構，其可以阻止氧氣滲透，而在在燃燒過程中自形成的絕緣木炭層又能夠阻礙熱量和氧氣的傳播。這些協同效應使得該材料具有優異的阻燃性和自熄性，其中點火時間提高了2.08倍，最大放熱率降低34.6%。此外，與天然木材接觸火焰90秒后，致密木材的抗壓強度提高了82倍以上，可有效防止木結構的坍塌和破壞，為發生火災時提供了寶貴的救生時間。

文獻鏈接：Dense, Self-Formed Char Layer Enables a Fire-Retardant Wood Structural Material?(Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201807444)?

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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