一种使用生物炭、高岭土、聚醋酸乙烯酯和三甲硅基多磷酸酯制成的可持续阻燃木质复合涂层

《Progress in Organic Coatings》：Sustainable flame-retardant composite coating for wood using biochar, kaolin, polyvinyl acetate, and trimethylsilyl polyphosphate

木材阻燃处理 | 无卤素复合涂层 | 热稳定性提升 | 炭层形成 | 环保型建筑材料

　　

哈拉丹·科利亚（Haradhan Kolya）|长谷川雅纯（Masumi Hasegawa）|姜春元（Chun-Won Kang）

韩国全罗北道全州市全北国立大学人类生态学院人类生态研究所住房环境设计系，邮编54896

摘要

木材是一种可持续的建筑材料，但其高易燃性限制了其安全使用。在本研究中，开发了一种新型阻燃复合涂层，该涂层采用聚醋酸乙烯酯（15 wt%）与生物炭（0.5 wt%）、高岭土（2 wt%）和三甲基硅基聚磷酸酯（3 wt%）在甲醇中混合制成。通过溶液共混制备该复合材料，并通过单层滴涂法（厚度约0.6 mm）将其应用于木材表面。通过ATR-FTIR、拉曼光谱、TEM、TGA/DTG/DSC、锥形量热仪以及光学/3D表面分析等综合表征方法，验证了填料在材料中的均匀分布、化学相互作用以及显著提高的热稳定性（800°C时炭化率约为26%）。锥形量热仪测试结果显示，与未涂层样品相比，该复合材料的总热释放量（48.77 MJ/m2 vs 63.56 MJ/m2）、平均热释放速率（80.82 kW/m2 vs 100.65 kW/m2）和质量损失速率（6.558 g/s·m2 vs 7.781 g/s·m2）均有所显著降低。此外，烟雾生成量和表面温度的减少表明其具有更好的阻燃和抑烟性能。这种复合涂层提供了一种无卤素、可持续的解决方案，可用于提高木材在建筑和室内应用中的消防安全。

引言

木材是一种重要的天然材料，属于木质纤维素聚合物。由于其优异的机械强度、美观性和可持续性，长期以来一直被用作主要建筑材料[1]。然而，其性能会受到湿度、紫外线辐射（UV）、氧气、真菌、细菌和昆虫等环境因素的显著影响[2][3]。为了提高其耐久性，需要定期维护和化学处理[4]。高温会导致木材中的纤维素、半纤维素和木质素等有机成分发生不稳定[5]。当这些聚合物发生热解时，会引发放热氧化反应，释放出可燃气体并与氧气发生反应[6]。因此，必须开发高效的阻燃处理方法来提升木材的性能和安全性。

另一方面，随着全球应对气候变化的努力不断增加，可持续建筑实践变得越来越重要[7]。《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）推动了减少碳排放的政策[8]。这为包括美国（US）、日本、韩国和欧盟（EU）在内的多个国家设定了到2050年实现碳中和的目标[9][10]。由于木材是可再生的且能吸收碳，它正逐渐被视为一种环保的建筑材料[11]。根据欧洲标准（EN）13501-1，木材通常被归类为D级阻燃材料[12]。因此，提高木材的防火性能已成为确保建筑环境安全和可持续性的紧迫研究课题。

为了提高木材的防火性能，已经开发出了多种阻燃处理方法[13]。最近的研究探索了兼具阻燃性、环境安全性和低毒性的多功能涂层[14][15]。基于卤化物的阻燃剂可以有效降低木材的易燃性[16][17]，但它们在燃烧时会释放有害气体和持久性有机污染物，对环境和人类健康构成极大威胁[18]。研究人员开始致力于开发对环境友好的替代品，以在提供足够防火保护的同时减少对这些环境问题的影响[19]。基于生物来源和无卤素的阻燃涂层（如磷酸盐和粘土基系统）在木材基材上表现出良好的应用前景[20][21][22]。

木材的阻燃处理通常通过浸渍或表面涂层来实现[13]。浸渍技术能使化学物质深入渗透木材细胞壁，但如果化学物质中含有聚合物，则浸渍过程较为困难。此外，这种方法成本较高，并且在浸渍过程中会浪费大量化学物质和溶剂。因此，表面涂层提供了一种更为经济且有效的解决方案，同时减少了材料损耗。因此，研究人员专注于使用纳米复合聚合物涂层来提高木材应用的消防安全，推动可持续建筑实践的发展[13][23]。

聚合物纳米复合涂层的最新进展因其可持续性、低毒性和优异的阻燃性能而受到广泛关注[24][25][26]。许多这类涂层包含基于生物的聚合物，如谷蛋白、大豆粉、聚乳酸、糠醇和淀粉，并通过添加天然填料来增强其性能[27]。此外，加入石墨烯[27]、层状双氢氧化物[28][29]、天然粘土矿物[30]、MXene[31]、纳米金属氧化物[32]、聚磷酰胺[33]、纤维素纳米纤维[34]、生物炭[35]和变色响应材料等纳米材料，显著提高了木材的防火性能。基于氧化石墨烯和壳聚糖的复合材料因其出色的机械和热稳定性而受到深入研究[36]。同样，膨润土、高岭土和蒙脱石等天然粘土矿物也因其可用性、可回收性和无毒性而受到关注[37]。这些纳米复合涂层表现出优异的热稳定性和较低的易燃性。最近的研究表明，结合生物炭和无机纳米材料的混合涂层在锥形量热仪测试中表现出更好的炭化形成和抑烟效果[38][39][40]。尽管之前已有单独使用生物炭或高岭土的阻燃系统研究[41][42]，但将其协同整合到基于PVAc/TMSP的木材复合涂层中的研究还较少。

因此，本研究旨在开发并评估一种新型无卤素阻燃复合涂层，该涂层由PVAc、TMSP、高岭土和生物炭组成，通过简单的溶液滴涂法应用于木材表面。这种配方旨在通过有效的炭化形成、减少热释放和抑制烟雾生成来提高木材的防火性能。通过ATR-FTIR、拉曼光谱、TGA/DSC、锥形量热仪和表面分析等系统表征方法，本研究为开发环保、多功能涂层以保障木材应用的安全性和可持续性做出了贡献。

材料

三甲基硅基聚磷酸酯、聚醋酸乙烯酯、甲醇和高岭土均从韩国默克公司（Merck）采购，以确保质量和均匀性。锯末通过可控的热解过程转化为生物炭。所用杉木（Cryptomeria japonica）来自日本木材厂，切割成均匀尺寸（99.8 × 99.8 × 20.4 mm），因其结构特性而被选为实验材料。

生物炭的制备

生物炭原料来自韩国全州市的当地木材工业产生的锯末。

结果与讨论

图2展示了各样品的FT-IR光谱：聚醋酸乙烯酯、高岭土、生物炭、三甲基硅基聚磷酸酯和复合材料的光谱。高岭土的光谱（图2a）中观察到3694、1004和910 cm?1处的特征峰，分别对应O-H伸缩和Si-O振动[43]。生物炭的光谱（图2b）显示出典型的芳香族特征，包括C=C伸缩和C-H弯曲峰，分别位于1578、1427和874 cm?1[44]。三甲基硅基聚磷酸酯的光谱（图2c）显示出1250、1052和823 cm?1处的峰值。

结论

本研究开发了一种基于聚醋酸乙烯酯的阻燃复合涂层，其中添加了生物炭和高岭土，以提升木材的防火性能。该复合材料表现出均匀的填料分布、稳定的热行为以及显著的炭化效果（800°C时炭化率为约26%）。锥形量热仪测试证实总热释放量、平均热释放速率、烟雾生成量和质量损失均显著降低。表面分析表明形成了致密的炭层，有效限制了火灾蔓延。

作者贡献声明

哈拉丹·科利亚（Haradhan Kolya）：负责撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、数据分析及概念构思。长谷川雅纯（Masumi Hasegawa）：负责撰写、审稿与编辑、数据分析。姜春元（Chun-Won Kang）：负责撰写、审稿与编辑、项目管理、资金申请及数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划的支持，该计划由教育部资助（NRF-2019R1I1A3A02059471）。