木质材料的性质和阻燃剂对木质材料的阻燃机理探究

李鸿渊

（宁夏建筑科学研究院有限公司 宁夏 银川 750021）

木质材料的性质和阻燃剂对木质材料的阻燃机理探究

李鸿渊

（宁夏建筑科学研究院有限公司 宁夏 银川 750021）

火灾是人类社会安全的重大危害之一，特别是室内火灾，直接危害人民生命和财产安全，而木质装饰板材作为室内装修中的常用材料，是导致室内火灾发展和蔓延的客观条件之一。

建材检测；木质材料；阻燃剂；热解特性；表面温度

0 引言

木质材料属于由纤维素为基质物所构成的材料，是工矿企业、民宅和各种建筑中不可缺少的建筑材料和装饰材料，也是交通运输部门及包装工业中广泛采用的材料。木质材料都是易燃的，大体上是山碳、氢、氧三种元素组成，碳和氢都是高度易燃元素。有研究表明：木质结构房屋在着火后5分钟时温度可达到500℃，在10分钟后温度猛增到700℃。当火进入到猛烈燃烧阶段中，这类火灾是难于扑救的。

1 木质材料的分类

1.1 实木

实木是有由多种复杂有机物质组成的复合体，其中绝大部分是高分子化合物的混合物，实木除了含有纤维素、半纤维素和木素之外，还含有水分和各种浸提物，包括石英砂、生物碱及有机弱酸等（单宁、醋酸、多元酚类化合物等弱酸）。常用的软木主要有红松、白松、樟子松、椴木、杨木等；常用的硬木主要有核桃木、黄菠萝、樟木、揪木、楠木、水曲柳、槐木、袖木、紫檀、橡木等。

1.2 改性木材

改性木材是以实木为基材，利用实木的孔隙性对实木进行涂刷、浸渍（或压力浸注）药物的方法或进行加热加压的方法而制成的具有某一物理特性的材料。木质复合材料则由木质材料和塑料等其他材料复合而成。

人造板是利用实木或其加工剩余物经过机械加工分离，再添加胶粘剂，高温压制而成。它是目前木质材料中发展最快、使用最多和应用最广的一类产品，是现代木质人造材料的主体。人造板工业能高效利用实木或其他植物纤维资源、缓解实木供需矛盾，是世界林产工业的支柱产业。近二十年，随着世界人造板工业的发展，我国人造板工业也得到了飞速的发展。进入21世纪，随着我国改革开放和社会经济的发展，据专家预测：我国人造板市场消耗量到2015年将达3300-4500万方，在2001年人造板产量的基础上增长约85%。

人造板材的品种非常多，常见的有胶合板、中密度纤维板、刨花板、细木工板、硬质纤维板、装饰用贴面板等。

2 木材的化学成分和热解特性

2.1 化学组成

木材是一种主要由碳、氢、氧元素构成高分子物质，并含有少量的氮和其他元素，虽然构成的元素较为简单，但是由这些元素构成的化合物却十分复杂。木材的化学组成可划分为两大部分：

1）主要组成：纤维素、半纤维素和木素。纤维素在木材中含量未40%-50%，半纤维素在木材中含量为20%-35%。二者为多糖类化合物，前者为己糖的均缩多糖，后者为己糖和戊糖的杂缩多糖，二者化学性质相似，难以区分，所以把它们总称为综纤维素。木素在木材中含量为15%-35%，它是由芳香族化合物构成，化学性质较综纤维素稳定得多。

2）次要组成：灰分和抽提物。灰分也称矿物质，它由Na、K、Ca、P、Fe等元素组成的无机化合物。通常，木材中灰分含量较少。抽提物是由脂肪族化合物（脂肪和蜡）、菇类化合物（又称精油或挥发油，它是由多个异戊二烯结构单元组成，存在于木材的树脂管道中）、酚类（单宁、黄酮类等）组成。抽提物在木材贮存过程中容易失去。次要组成在木材中含量虽少，但对木材的燃烧性能影响较大。通常，抽提物含量大，木材易燃；灰分含量大，木材不易燃。

2.2 热解和燃烧反应

木材是主要是由纤维素、半纤维素、木素三种高分子化合物组成的。对木材加热时，首先是水分析出阶段，随着温度升高，半纤维素和纤维素先后发生分解，产生挥发性产物，半纤维素的聚合度比纤维素小、结构无定性、热稳定性比纤维素差，热解相对容易。木素是芳香族化合物，化学活泼性较前两者差，分解的温度相对高，大部分分解为炭。木质材料都是由纤维素基质构成，所以纤维素的结构、性质和热解特性决定了木质材料的燃烧过程。

纤维素的燃烧过程与引燃源及供氧情况有关。纤维素是固体物质，通常不能直接燃烧，首先要进行热解，纤维素热降解时，生成左旋葡聚糖，后者再脱水和热裂解而进一步生成焦油及可燃性气体、液体和固体。当可燃性气体被引燃时，可促使液体和焦油挥发并形成更多的可燃性气态产物，后者燃烧时产生炭残渣。燃烧会持续进行到只剩下炭残渣为止。火熄灭后，炭残渣由于表面温度极高，遇到扩散的氧被氧化并阻燃。

3 阻燃机理

3.1 吸热作用

任何燃烧在较短的时间所放出的热量是有限的，如果能在较短的时间吸收火源所放出的一部分热量，那么火焰温度就会降低，辐射到燃烧表而和作用于将已经气化的可燃分子裂解成自由基的热量就会减少，燃烧反应就会得到一定程度的抑制。在高温条件下，阻燃剂发生了强烈的吸热反应，吸收燃烧放出的部分热量，降低可燃物表面的温度，有效地抑制可燃性气体的生成，阻止燃烧的蔓延。

3.2 覆盖作用

在可燃材料中加入阻燃剂后，阻燃剂在高温下能形成玻璃状或稳定泡沫覆盖层，隔绝氧气，具有隔热、隔氧、阻止可燃气体向外逸出的作用，从而达到阻燃目的。

3.3 抑制链反应

根据燃烧的链反应理论，维持燃烧所需的是自由基。阻燃剂可作用于气相燃烧区，捕捉燃烧反应中的自由基，从而阻止火焰的传播，是燃烧区的火焰密度下降，最终使燃烧反应速度下降直至终止。

3.4 不燃气体窒息作用

阻燃剂受热时分解出不燃气体，可以稀释可燃物分解出来的可燃气体的浓度到燃烧下限以下。同时也对燃烧区内的氧浓度具有稀释作用，阻止了燃烧的继续进行，达到阻燃的作用。阻燃机理使人们对燃烧和阻燃有了更深刻的认识，但燃烧和阻燃都是很复杂的过程，实际上某种阻燃体系的阻燃实现往往是几种机理同时在起作用。

4 阻燃机理的评价方法

常用来评价阻燃机理的方法有锥形量热仪（Cone calorimetry）法、热分析方法（TG，DSC）、氧指数法（OI）、红外光谱法（FTIR）、光电子能谱法（XPS）、核磁共振法（CMR）等等。

锥形量热仪法可用来测定材料的热释放速率（HRR）、总热释放量 （THR）、有效燃烧热 （EHC）、质量损失速率（MLR）、烟释放、引燃时间等等。 热分析方法（TG，DSC）用来测定材料受热时的分解温度，失重情况及受热过程中的热效应。

红外光谱法（FTIR）可以测定材料表面化学键的变化。阻燃材料受热时，随着温度的升高，FTIR谱图中C-C键的峰增强，出现芳环峰，而C-O键合成C-H峰逐渐消失。

光电子能潜法（XPS）可以观察材料表面物质化学结构及元素组成与含量的变化。

核磁共振法（CMR）可以分析碳的结构变化。

5 结束语

总之，当火灾发生时如果能及时发现火灾的早期阶段并做出应对，就会将火灾损失降到最低。事实上，在这一阶段的特征主要与可燃物木身的物性有关，处于火源中心的各种物质都以热分解的方式在进行较平缓的受热行为。分析事故原因可以发现，可燃物燃烧时放出的烟气和毒气是火灾中造成特大伤亡的根本原因，因此对材料本身特性的热解分析也是预防建筑等行业火灾发生的重要措施之一。

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李鸿渊（1985—），男，毕业于长安大学土木工程专业，现主要从事建材检测方面的工作。

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