木材膨胀防火涂层的制备与性能研究

《Progress in Materials Science》：Preparation and performance study of wood expansion fireproof coating

研究采用MF树脂和GUP、PEPA、ABT协同阻燃体系，通过正交实验确定最佳配比（A2B2C1D1），使阻燃时间达40分钟以上（空白样本25倍），PHRR降低29.63%，TSP减少69.71%，残碳量增至11.23%，证实涂层改变木材热解路径并形成协同阻燃效应。

　　木作为中国四大建筑材料之一，在建筑领域有着广泛的应用。由于其易燃的特性，木结构在火灾中极易受损，造成人员伤亡和财产损失。因此，防火涂料作为一种有效的防护手段，被广泛应用于木材及其结构的保护中。本文以三聚氰胺甲醛（MF）树脂作为成膜物质，结合一种由尿素磷酸盐（GUP）、季戊四醇磷酸酯（PEPA）和硼酸铵（ABT）组成的协同型阻燃体系，系统研究了防火涂料的配方及其性能表现，并深入探讨了其阻燃机理。

研究结果表明，当MF: GUP: PEPA: ABT的质量比达到A?B?C?D?水平时，防火涂料的阻燃时间最长，超过了40分钟，比空白样品提升了25.13倍。这表明该配方在提升木材防火性能方面具有显著效果。同时，防火涂料的峰值热释放速率（PHRR）相比空白样品降低了29.63%，火焰传播速率（TSP）降低了69.71%。此外，残炭含量增加了2.89倍，达到了11.23%。这些数据表明，防火涂料改变了木材的热解路径和反应模型，其阻燃机制主要体现在气相和固相的协同作用上。

在引入防火涂料之前，木材的易燃性一直是建筑行业面临的重要挑战。木材的燃烧特性使其在火灾中容易迅速蔓延，造成严重后果。因此，开发高效的防火涂料对于提高木材的安全性至关重要。近年来，许多学者致力于研究不同类型的防火涂料，以期找到既能有效阻燃又不影响木材原有性能的解决方案。例如，Yi等人开发了一种多功能透明防火涂料，能够显著降低木材的热释放速率和火焰传播速率。Zhang等人则通过使用铝二乙基磷酸酯（ADP）和三聚氰胺苯基磷酸酯（MPP）制备了环氧树脂膨胀型防火涂料，该涂料能够形成结构良好的碳层，从而提升其热绝缘性能。Pan等人利用带正电的聚乙烯亚胺（PEI）和三聚氰胺，以及带负电的植酸，制备了一种膨胀型阻燃涂料，显著增强了环氧树脂的阻燃性能。Panda等人将纳米复合材料（如氧化锌纳米颗粒和六方氮化硼薄片）与硅酸钠和石膏结合，形成了一种纳米复合涂料，应用于木质基材后表现出优异的阻燃性能。Lin等人则通过将不同浓度的尿素磷酸盐（GUP）加入三聚氰胺尿素甲醛（MUF）水溶液树脂中，合成了具有阻燃、半透明和膨胀特性的涂料，效果良好。此外，GUP能够减缓涂料的固化速度，增强其膨胀效果，从而有效提升木材的阻燃性能。

为了进一步提升防火涂料的阻燃效果，许多研究者尝试将膨胀型阻燃剂与其他协同型阻燃剂结合使用。例如，Yan等人通过添加不同粒径的滑石粉作为增强剂，显著提高了透明防火涂料的综合性能，并展现出良好的协同效应。Hu等人提出了一种新的方法，通过在柔性膨胀型涂料中掺杂氢氧化钙铝（CaAlCO? LDHs），制备了一种新型的LDH掺杂防火涂料，从而更好地降低木材的火灾风险。Ling等人采用三聚氰胺聚磷酸盐（MPP）作为膨胀型阻燃剂，石墨烯纳米片（GNPs）作为协同型阻燃剂，以及丙烯酸树脂作为成膜物质，制备了一种具有优异阻燃性能和热稳定性的涂料。De等人则利用天然产物（如木质素和单宁）与无机纳米颗粒结合，制备了基于生物的防火涂料，显著延缓了火焰的传播。其中，有机硼型阻燃剂不仅具有较低的烟雾和毒性，而且使用量较少，能够形成含硼的覆盖碳层，隔离挥发物和空气。目前，相关研究主要集中在氮化硼和氧化锌硼酸盐等材料上。例如，Wang等人将功能化的氮化硼（f-BN）、聚磷酸铵（APP）、季戊四醇（PER）和三聚氰胺（MEL）引入环氧树脂中，制备了膨胀型防火涂料。然而，这些阻燃剂在水性溶剂中的溶解度较低，从而影响了涂料的分散性和透明度。相比之下，硼酸铵（ABT）能够催化膨胀型阻燃剂（IFR）的凝聚和碳层形成，进而提升碳层的高度和密度。Yu等人则利用氧化石墨烯硼酸铵（GO-ABT）作为阻燃增强剂，应用于木塑复合材料（WPC）表面，证明了ABT在促进混合碳层形成和抑制烟雾方面的优越性能。

基于上述研究背景，本文开发了一种水基木材膨胀型防火涂料。该涂料不仅能够有效提升木材的阻燃性能，还具有良好的物理和化学性质，能够满足相关法规的要求。实验结果表明，自制的防火涂料（B1）在阻燃时间方面表现最佳，其阻燃时间比空白样品（B0）提高了25.13倍。此外，B1的峰值热释放速率（PHRR）相比B0降低了10.1%，火焰传播速率（TSP）降低了93.2%。与此同时，B1的残炭峰值（SPR）仅为0.0054 m2/s，显示出其在抑制火焰传播和降低热释放方面的优异性能。这些数据不仅验证了该防火涂料的阻燃效果，还表明其在实际应用中具有重要的意义。

本文的研究成果不仅为木材防火涂料的配方设计提供了理论依据，还为木材装饰材料、木结构建筑、文物建筑等相关领域的防火保护提供了新的思路。通过优化阻燃剂的配比，该涂料能够在不显著影响木材原有性能的前提下，显著提升其阻燃能力。特别是在处理老化木材方面，该研究填补了现有阻燃处理方法的空白，为延缓或阻止火灾的传播提供了有效的解决方案。此外，该研究还强调了水基涂料在环保和施工便利性方面的优势，这与当前建筑行业对可持续发展和绿色材料的需求相契合。

在实验方法方面，本文采用正交实验设计，对GUP、PEPA和ABT组成的协同型阻燃体系进行了系统的配方优化。通过正交实验设计，可以高效地筛选出最佳的配比组合，同时减少实验次数，提高研究效率。实验过程中，制备了九组不同配比的样品，并通过大板燃烧试验评估了其阻燃性能。该方法不仅能够准确地确定最佳配方，还能够为后续的工业化生产提供参考依据。此外，实验过程中对木材的热解路径和反应模型进行了深入分析，揭示了防火涂料如何通过改变木材的燃烧行为来实现有效的阻燃。

本文的研究还涉及了材料的选择和配比优化。MF树脂作为一种常见的成膜物质，具有良好的热稳定性、机械性能和成膜能力，能够为防火涂料提供坚实的基体结构。GUP作为一种高效的阻燃剂，能够与MF树脂形成稳定的复合体系，增强涂料的阻燃效果。PEPA则能够作为碳源，促进碳层的形成，从而进一步提高阻燃性能。ABT作为一种常见的无机阻燃剂，能够催化膨胀型阻燃剂的凝聚，形成致密的碳层，有效隔离空气和挥发物。通过合理的配比设计，这些阻燃剂能够相互协同，共同发挥阻燃作用，从而实现最佳的防火效果。

从实际应用角度来看，本文开发的水基木材膨胀型防火涂料具有广阔的市场前景。随着建筑行业对防火安全要求的不断提高，防火涂料的应用范围也在不断扩大。尤其是在木结构建筑、文物建筑和装饰材料等领域，防火涂料的作用尤为关键。该涂料不仅能够有效延缓火焰的传播，还能够显著降低热释放速率，从而减少火灾带来的危害。此外，该涂料的环保性能也值得关注，水基涂料相比传统溶剂型涂料具有更低的污染风险，更加符合现代建筑行业对绿色材料的需求。

在实验过程中，研究人员还关注了涂料的物理和化学性能。例如，涂料的附着力、柔韧性、耐候性等指标均需达到一定的标准，以确保其在实际应用中的稳定性和可靠性。通过系统的测试和分析，本文验证了所制备的防火涂料在各项性能指标上均优于传统材料，能够满足实际应用中的各种需求。此外，实验结果还表明，该涂料在不同温度条件下的表现良好，能够适应多种环境，具有较高的适用性。

本文的研究成果对于推动木材防火技术的发展具有重要意义。通过合理选择阻燃剂和优化配方，不仅能够提升木材的防火性能，还能够降低火灾发生的风险，保障人们的生命财产安全。同时，该研究也为相关领域的材料研发提供了新的思路，即通过协同作用的方式，实现更高效的阻燃效果。此外，本文还强调了环保和可持续性在材料研发中的重要性，这与当前全球对绿色建筑和环保材料的重视趋势相一致。

总之，本文通过系统研究和实验验证，成功开发了一种性能优异的水基木材膨胀型防火涂料。该涂料不仅能够显著提升木材的阻燃性能，还具有良好的物理和化学性质，能够满足市场对防火材料的多样化需求。其研究成果在木材防火技术领域具有重要的理论和实践价值，为相关行业的防火安全提供了新的解决方案。