基于糠醇和木粉的可持续复合材料：卓越阻燃性能及神经网络预测模型研究

研究人员针对传统木塑复合材料(WPCs)制备过程中需对木粉进行过度处理的问题，创新性地利用生物质衍生的糠醇树脂(FA)与木粉(WF)开发了绿色复合材料。通过引入四种不同阻燃机制(EG/ADP/OP560/DMPP)的阻燃剂，采用锥形量热仪(HRR/SPR)、极限氧指数(LOI)和UL 94测试评估性能。研究发现ADP和EG能同步降低75%的热释放率(HRR)和96%的烟雾产生量(TSP)，并建立了基于质量损失率(MLR)预测HRR/SPR的神经网络模型(R2=0.85-0.93)，为低成本防火材料开发提供新思路。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，传统木塑复合材料(WPCs)面临两大困境：一方面依赖化石基塑料基质，另一方面制备过程需要对木粉(WF)进行复杂的预处理。更棘手的是，这类材料在建筑、家具等领域的应用常因易燃性受限，而现有阻燃技术往往顾此失彼——降低燃烧速率却加剧烟雾产生。捷克Tomas Bata大学的Lukas MANAS团队独辟蹊径，利用生物质衍生的糠醇(FA)与木粉开发出全绿色复合材料，其创新之处在于FA的低粘度和高木材亲和性避免了预处理步骤，同时通过多机制阻燃体系实现了防火抑烟的双重突破。

研究采用差示扫描量热法(DSC)优化固化工艺，热重分析(TGA)评估热稳定性，结合锥形量热仪、LOI和UL 94测试全面表征阻燃性能。通过设计三层前馈神经网络，建立了基于质量损失率(MLR)预测热释放率(HRR)和烟雾产生率(SPR)的模型。

1. 材料设计与固化特性

动态DSC显示FA/马来酸酐(MA)体系在120°C固化20分钟为最佳工艺，避免木粉降解。添加15wt%阻燃剂时，液态DMPP因空间位阻使固化峰向高温移动，而含羟基的OP560可能参与交联，固化焓降至287 J g^-1。

2. 阻燃协同效应

锥形量热测试揭示ADP和EG表现突出：EG-15使HRR_max从675 kW m^-2降至147 kW m^-2（降幅78%），ADP-15更将TSP从352.8 m² m^-2锐减至43.6 m² m^-2。机理研究表明，EG通过膨胀形成隔热炭层，ADP热解产生的磷酸促进成炭，而OP560和DMPP主要在气相捕获自由基。

3. 神经网络预测模型

基于3249组数据训练的神经网络，MLR+HRR预测SPR的模型精度最高(R²=0.93)。该模型使仅需简单MLR测试即可预测HRR/SPR，大幅降低设备门槛。

4. 综合防火性能

UL 94测试中除EG-7.5外所有样品达V-0级，LOI值提升最显著的是ADP-15(30.6%)和EG-15(31.2%)。TGA显示阻燃剂使纤维素分解峰前移50°C，但木质素分解峰后移，印证了磷系阻燃剂促进成炭的特性。

这项研究通过生物基FA树脂与多机制阻燃体系的创新结合，解决了传统WPCs的环境友好性与防火安全性难以兼顾的难题。特别值得注意的是，ADP和EG展现出罕见的同步抑制HRR和SPR的效果，这在木质复合材料领域具有里程碑意义。开发的神经网络预测模型为资源有限的实验室提供了高效评估工具，其"以简驭繁"的思路可拓展至其他材料体系。该成果为开发新一代可持续防火材料提供了完整的技术路线，对推动建筑、交通等领域的绿色转型具有重要价值。