综述：天然纤维的阻燃性：机理、处理方法和测试技术

这篇综述系统阐述了天然纤维（NFCs）的阻燃机制（如炭层形成、气相抑制）、化学处理（磷/硼/硅基化合物）与物理改性（纳米涂层、杂化增强），并分析了LOI、锥形量热等测试方法，为开发环保型阻燃复合材料（FRCs）提供重要参考。

　　

天然纤维的阻燃性：机理、处理方法和测试技术

引言

天然纤维（如棉、麻、羊毛）因其可生物降解性和可再生性成为合成纤维的可持续替代品，但其固有的易燃性限制了在消防敏感领域的应用。植物纤维主要由纤维素（280-350°C分解）、半纤维素（200-280°C分解）和木质素（250-500°C分解）组成，其中半纤维素释放的可燃气体加速燃烧。纤维的结晶度、密度和含水率也影响燃烧行为，高结晶区和含水纤维燃烧更缓慢。

阻燃机制

阻燃机制分为物理和化学两类：

• 物理机制：通过吸热添加剂（如氢氧化铝）或惰性气体稀释氧气浓度。例如，硼基化合物释放水蒸气冷却纤维表面。
• 化学机制：磷基阻燃剂催化纤维素脱水形成炭层，氮基化合物干扰自由基链反应。硅基溶胶-凝胶涂层则形成无机隔热屏障，减少70%热释放率（PHRR）。

增强阻燃性的方法

化学处理：

• 磷基化合物：如聚磷酸铵（APP）与三聚氰胺协同使用，使棉纤维LOI提升至36 vol%，达到UL-94 V-0级。
• 生物基涂层：壳聚糖-磷酸涂层可将麻纤维的PHRR降低78%，且减少有毒烟雾。
• 硼基添加剂：硼酸形成玻璃态屏障，但易淋溶，需与聚合物基质复合以提高稳定性。

物理改性：

• 纳米涂层：石墨烯纳米片（3 wt%）使亚麻/环氧树脂复合材料的PHRR降低65%，同时保留90%机械性能。
• 杂化增强：玄武岩或芳纶纤维与天然纤维混合，无需化学添加剂即可提升阻燃性。

先进阻燃策略

• 无机纳米屏障：六方氮化硼（h-BN）和纳米二氧化硅（SiO₂）在纤维表面构建迂回路径，抑制热传递。
• 生物基膨胀系统：植酸与DOPO接枝纤维素在12 wt%添加量下实现LOI 35 vol%，且无卤素。
• 角蛋白纤维：羊毛和鸡羽毛含氮/硫元素，自身可减少80% PHRR，与聚丙烯（PP）复合后仍保持94%拉伸强度。

测试与挑战

• LOI测试：未处理棉纤维LOI仅18%，磷处理亚麻提升至35%。
• 锥形量热：APP处理的麻纤维PHRR降低60%。
• 环境稳定性：磷处理亚麻经1000小时紫外老化后强度损失28-35%，需优化耐候性。

未来方向

开发可降解阻燃剂（如蛋白质衍生物）、优化纳米涂层沉积工艺，并推动法规与循环经济（如欧盟绿色协议）接轨，以拓展天然纤维复合材料在汽车、建筑等领域的应用。

（注：全文数据与案例均源自原文，未添加外部结论。）