木塑复合材料的高效协同成炭膨胀阻燃研究

随着木塑复合材料（WPC）产业规模和应用领域的迅速扩大，尤其是在室内装饰、门窗、地板、家具和汽车内饰等领域的大量使用，这种主要由木质纤维和塑料两种可燃材料复合而形成的新型复合材料凸显严重的火灾隐患，其阻燃理论与技术已成为木材科学的重大研究课题。本项目选择室内用高木质纤维添加量的WPC为研究对象，利用磷氮硼阻燃体系对木质纤维组分的高效催化成炭作用和膨胀型阻燃体系对塑料组分的成炭保护作用，以形成结构合理而稳定的多孔泡沫炭层为主要特征，充分发挥磷氮硼阻燃体系与膨胀型阻燃体系的协同效应，设计适用于WPC的协同成炭膨胀阻燃体系。通过对阻燃WPC的热解过程分析和挥发性产物的鉴定，研究其热解行为与调控方法；通过对阻燃WPC在控制气氛条件下的热解和不完全燃烧固相产物泡沫炭层的系统表征，研究泡沫炭层的结构、性质及其与阻燃体系、添加剂的关系，揭示该阻燃体系的作用机理，建立WPC的协同成炭膨胀阻燃基本理论。

随着木塑复合材料（WPC）产业规模和应用领域的迅速扩大，尤其是在室内装饰、门窗、地板、家具和汽车内饰等领域的大量使用，这种主要由木质纤维和塑料两种可燃材料复合而形成的新型复合材料凸显严重的火灾隐患，其阻燃理论与技术已成为木材科学的重大研究课题。本项目选择室内用高木质纤维添加量的WPC为研究对象，利用氮磷阻燃体系对木质纤维组分的高效催化成炭作用和膨胀型阻燃体系对塑料组分的成炭保护作用，以m-TMI-g-PP作为相容剂，设计并制备阻燃型木塑复合材料。项目研究了改性聚磷酸铵及改性聚磷酸铵和不同阻燃剂复配对木塑复合材料的力学性能、动态流变行为、结晶行为和界面结构的影响，重点通过锥形量热仪测试、极限氧指数测试、垂直燃烧测试、热重分析测试等手段研究了阻燃木塑复合材料的热降解性能和燃烧特性，利用扫描电镜、表面能谱等手段研究了阻燃木塑复合材料在控制气氛条件下的燃烧炭层结构。研究结果表明利用KH-570改性聚磷酸铵，当改性氮磷膨胀阻燃剂含量为25%时，木塑复合材料的氧指数可达到30.7%，垂直燃烧为UL-94 V-0级，木塑复合材料达到较高的阻燃性能、热降解性能，并改善了氮磷膨胀型阻燃剂在木塑复合材料的界面相容性，提高了复合材料的力学性能；改性氮磷膨胀型阻燃剂使木塑复合材料的热降解反应活化能降低，催化成炭作用使木质纤维组分的热降解温度降低，成炭保护作用使聚烯烃热降解温度提高，高效催化协同成炭作用提高了残炭量；同时改性聚磷酸铵使木塑复合材料的热和烟释放速率减慢，总热释放量和总烟释放量减少，残炭量明显增加；结合多孔泡沫膨胀炭层结构分析，揭示了木塑复合材料催化成炭膨胀阻燃机理。