摘要: 采用阻燃剂对木材进行改性是常用的提升木材阻燃性能、解决木材应用局限的手段，目前常用的磷系阻燃剂来自不可再生的磷矿资源，且燃烧时易产生大量有毒烟气，不能满足木材绿色环保的应用要求。本研究以含磷生物质植酸为基础，开发了植酸铵改性、植酸... 展开 采用阻燃剂对木材进行改性是常用的提升木材阻燃性能、解决木材应用局限的手段，目前常用的磷系阻燃剂来自不可再生的磷矿资源，且燃烧时易产生大量有毒烟气，不能满足木材绿色环保的应用要求。本研究以含磷生物质植酸为基础，开发了植酸铵改性、植酸金属盐复合改性以及植酸铜-多级孔MOF杂化改性火炬松(PinustaedaL.)，分析了不同改性剂在木材中的分布与存在形式，考察了改性材的阻燃及抑烟性能，并探究其作用机理。在此基础上，以木材模型化合物为研究对象，利用TG-FTIR、XRD、XPS和拉曼光谱等手段分析了植酸金属盐复合处理对木材组分热解和成炭行为的影响，揭示了含磷阻燃剂与金属的协效阻燃抑烟机制。研究得出主要结论如下: (1)采用单因素试验探究植酸铵阻燃剂(APFR)合成工艺，获得优化条件为:植酸尿素比例为1∶10,反应温度100℃，反应时间6小时。10wt％的APFR溶液处理的木材极限氧指数为54.9％,达到难燃级别。同时，APFR改性材的静曲强度与未处理材相当。 (2)通过两步法在木材中原位生成植酸金属盐(植酸铜、植酸铁、植酸锌或植酸镁)，改性材的阻燃抑烟性能显著提升。不同植酸金属盐改性材的性能从强到弱顺序为:植酸铜＞植酸铁≈植酸锌＞植酸镁。植酸铜改性材(增重率为13.06％)的热释放速率峰值(PHRR)相较于素材降低了57.05％,总烟释放量(TSP)降低了91.98％。 (3)植酸铜改性材阻燃抑烟性能的提升可归因于铜离子和植酸的双重催化炭化以及铜的催化石墨化作用。植酸和铜离子可共同促进木材中多糖类物质和木质素的脂肪链在低温下发生脱水反应，促进残炭的生成，并抑制可燃气体和烟气前驱体的产生。同时，铜催化炭层中的双键结构与呋喃类物质发生Diels-Alder反应，在此作用下，大量芳香类物质生成并进一步缩聚形成石墨化片层。木质素较纤维素和半纤维素更易形成稳定的石墨化结构。 (4)利用植酸根对金属有机骨架(MOF)金属中心的螯合作用在MOF骨架中引入多级孔结构，制备植酸铜-多级孔MOF杂化改性木材(PCuM-W)。与植酸铜改性材相比,PCuM-W的火灾蔓延指数降低了30.3％,最大CO释放速率降低了41.67％。杂化结构中大量磷和铜元素的存在有利于改性材的成炭和石墨化反应，并促进形成稳定炭层。同时，具有多级孔特性的杂化结构热解生成具有高效催化作用的衍生炭，使烟气中的CO转化为CO2。 收起