在交替温度和湿度环境下，对微胶囊阻燃剂与界面调节的协同优化作用进行研究

《Polymer Degradation and Stability》：Research on the Synergistic Optimization of Microencapsulated Flame Retardants and Interface Regulation for Board under Alternating Temperature and Humidity Environments

本研究开发了一种核壳结构阻燃剂（有机磷化合物外壳与铵磷内芯），通过浸渍和热压工艺制备阻燃木板A，并与市售板B/C进行湿热老化对比测试。结果表明：高湿度加速材料降解，但板A因稳定孔隙结构和优化填料分散保持50-94%的弯曲强度和弹性模量，其UL-94 V-0阻燃等级经4周湿热循环后未降低，而B/C板出现严重机械性能损失。研究揭示了湿度波动对阻燃剂迁移、界面结合及热稳定性的协同影响机制，为开发环境适应性强且阻燃与机械性能平衡的复合板材提供了理论依据。

　　

贾鹏飞|黄浩|尚柯|赵新杰|张天浩|王碧波|胡媛

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽省合肥市金寨路96号，230026；

摘要

木板因其强度、可持续性和可再生性而在建筑和家具领域受到重视，尽管其易燃性仍然是一个重要的安全问题。本研究开发了一种核壳结构的阻燃剂，结合了有机磷化合物（外壳）和聚磷酸铵（内核），以提高消防安全。通过对比自制板材A与商用板材B/C的性能，研究了湿热老化对材料耐久性的影响。结果表明，环境因素对阻燃性能的影响比物理性质更为显著，高湿度会加速材料的降解。板材A在老化后仍保持了50-94%的弯曲强度和弹性模量，而板材B则出现了严重的机械性能下降。尽管所有板材的吸湿性都有所降低，但板材A在潮湿条件下通过稳定的孔结构保持了优异的耐候性。其优化的填料分散性和界面粘结性实现了阻燃性能与机械稳定性的平衡。这种双重功能的改进使得板材在长期湿热环境中能够可靠地发挥作用。本研究为开发具有更强环境适应性的阻燃木复合材料提供了设计原则，满足了工程应用中对消防安全和材料寿命的关键需求。

引言

由于木材的天然环保性和可再生性，它在现代建筑装饰、古建筑修复和家具制造中占据重要地位[[1], [2], [3]]。然而，木材本身的易燃性带来了严重的火灾隐患。阻燃板材（FRBs）凭借其优异的阻燃性能、机械性能和环境特性，已成为现代建筑、运输设备和电力设施中的关键防火材料。这些板材通常通过浸渍阻燃剂（如聚磷酸铵和硼酸锌）或表面涂层来实现阻燃效果[[4], [5], [6]]。然而，在实际使用中，板材需要承受长期温度和湿度交替环境的影响。特别是在中国南部潮湿炎热地区与北部干燥寒冷地区之间的气候差异下，材料面临着复杂的环境老化挑战。中国南北地区的湿度差异（例如中国南部年平均湿度为80%，而西北部干旱地区为30%），以及季节性变化导致的干湿循环，使得木板容易发生翘曲、开裂和阻燃剂流失[7]。据统计，约37%的建筑材料性能劣化事故直接与温度和湿度的交替作用有关[8]。因此，探索高温高湿循环对阻燃板材关键性能的影响机制对于延长材料使用寿命和确保建筑安全具有重要意义[[9], [10], [11]]。

大多数现有研究采用单一的恒定温度和湿度条件（如70℃/95%RH）或冷热循环条件（如-20℃-50℃），而实际使用环境更接近湿热-干燥-温度交替的综合效应模式[12]。这些条件对材料界面粘结强度、阻燃剂迁移和热稳定性有着显著的影响。Kumar等人[13]发现，在恒定高湿度（90% RH）环境下，松木的弯曲强度下降了35%，主要是由于纤维素微纤维的水解。在阻燃性能方面，Guo等人[14]证实了硼酸酯阻燃剂在潮湿环境中的渗出速率与湿度呈指数关系。值得注意的是，ASTM D5516标准规定的加速老化测试仅模拟了单一的温度和湿度条件，无法再现湿度循环（如白天气湿夜晚干燥）对材料的累积损伤效应[15]。最新研究[16]表明，在经历10次30%-90%的湿度循环后，冷杉木的弹性模量比恒定湿度组下降了18%，这表明干湿交替可能引发更复杂的界面失效机制。然而，关于阻燃剂与木材基体在湿度波动下的协同劣化规律仍缺乏系统研究[17]。

本研究采用浸渍和热压技术制备了阻燃板材。选取了两种市售阻燃板材，在高低温舱内进行了为期4周的湿热老化测试，包括低湿和高湿两种条件。通过扫描电子显微镜（SEM）、万能试验机、UL-94垂直燃烧测试、限氧指数（LOI）、锥形量热仪和烟密度分析等手段，全面评估了湿热老化前后的物理/化学性质、阻燃性能和燃烧特性。这项工作为开发具有环境适应性的阻燃板材提供了设计基础，实现了阻燃性能与机械性能的平衡控制。

部分内容

阻燃板材的制备

多功能木阻燃剂是通过将35份Mg(OH)?、30份NH₄H₂PO₄和35份CaSO₄按重量比混合在水溶液中制备而成的，浓度为30%。然后将木贴面浸入该溶液中24小时，随后在100℃下干燥至含水量为8%-12%。

DOPO-GY@APP阻燃剂的制备参考了之前的研究[18]。将10%的DOPO-GY@APP添加到MDI胶粘剂中，从而制备出阻燃胶粘剂。

表面形态和微观结构

图2和图3展示了自制阻燃板材A、B和C以及商用阻燃板材A、B和C在高低湿度老化前后的宏观形态。如图2a1-c1所示，阻燃板材A、B和C在人工加速老化前表面相对光滑。板材A和B呈现淡黄色，而板材C呈现紫红色，没有明显的裂纹或腐蚀现象。经过4周的低湿度老化后...

结论

本研究采用微胶囊技术制备了阻燃胶合板A，并将其性能与商用板材B/C在湿热老化条件下的性能进行了比较。测试发现，低湿度老化主要会降低阻燃性能，而高湿度条件则会导致全面的性能下降。在阻燃性能方面，自制板材A表现优异，在UL-94测试中保持了V-0等级。在物理性能方面...

数据可用性

由于技术或时间限制，目前无法分享重现这些研究结果所需的原始/处理数据。

CRediT作者贡献声明

贾鹏飞：撰写——初稿、方法论、实验设计。黄浩：撰写——初稿、方法论、实验设计。尚柯：方法论、实验设计、资金筹措。赵新杰：方法论、实验设计。张天浩：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。王碧波：撰写——审稿与编辑、监督、资金筹措。胡媛：方法论、实验设计。

利益冲突声明

我们声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号2023YFC3010104）和国家自然科学基金（项目编号U1833113、81904155和82274426）的支持。作者感谢Scientific Compass公司的Shi Lanlan女士（www.shiyanjia.com）在XPS分析方面提供的宝贵帮助。部分研究工作在中国科学技术大学微纳研究与制造中心完成，同时感谢Haitao Liu在微纳技术方面的协助。