（木材科学与技术专业论文）阻燃型木纤维聚丙烯复合材料制备及性能研究(1).pdf

摘要 木塑复合材料是当前生物质材料研究领域中重要的研究方向之一但是，由于木塑 复合材料属于易燃材料，直接用于室内存在一定的安全隐患。本文开展的阻燃型木纤维 聚丙烯复合材料的研究，将提供一种具有阻燃功能的新型木塑复合材料，为扩展木塑复 合材料的室内应用提供技术基础。 在本研究中，木纤维一聚丙烯复合材料的制备采用人造板平压工艺。通过对复合材料 物理力学性能、燃烧性能等主要影响因子的研究，利用热重差热联用分析仪、锥形量热 仪以及红外光谱分析仪在对原料及复合材料的热解、燃烧特性进行分析基础上，筛选出 适当的阻燃剂体系。在进行工艺因子与阻燃型木塑复合材料性能的相关性分析评价后， 制备出高性能的阻燃型木塑复合材料。 本论文的主要研究结果如下： 1 聚丙烯( p p ) 加量、补强剂种类、产品密度和纤维形态四个变量因子对复合材料 的物理力学性能有不同程度的影响。增加p p 用量复合材料的各项物理力学性能都有显著 提高；补强剂对复合材料物理力学性能提高也较明显，以2 p a p i 的效果更好；提高产 品密度对抗弯性能提高最显著；纤维形态对产品性能的影响规律不明显。制备高性能的 木纤维- 聚丙烯复合材料最佳因子水平为：p p 加量为4 0 ，补强剂为2 p a p i ，产品密 度为1 0 5 9 c m 3 ，纤维形态为中粗纤维，制备的复合材料性能大幅度超过g b t 1 1 7 1 8 1 9 9 9 室外用纤维板要求。 2 塑料原料的燃烧热是决定木塑复合材料燃烧性能的关键因子。p p 燃烧热值高，其 加量对复合材料的滞燃性能有非常显著的负面影响。复合材料中p p 含量增加，复合材料 氧指数大幅度降低，热释放速率和燃烧热值迅速升高。加入补强剂加速了复合材料的燃 烧过程；其他因素如产品密度和纤维形态对复合材料的燃烧特性影响规律不明显。木塑 复合材料的热解过程中，木纤维和聚丙烯有相互促进热解、燃烧的现象。 3 通过改变木纤维热解方式，s a 阻燃剂促进木纤维提前分解成炭，减缓燃烧过程达 到阻燃目的。通过热解活化能计算、红外光谱分析等机理分析证实，阻燃剂s a 对木材 的脱水过程中促使木材纤维表面活化，促使木塑界面和纤维间更好的相互融合，进而提 高了木塑复合材料的物理力学性能，这一结论与传统的阻燃型人造板制造中阻燃剂对板 材性能起负面作用的结论相反。 塑料阻燃剂以质量比3 ：1 的十溴二苯乙烷和三氧化二锑组成的d b t 配方，质量比 2 7 ：l 的十溴二苯乙烷和硼酸锌组成的d b z 配方以及1 0 0 高聚磷酸铵的a p m 配方阻燃 效果较好。 由于阻燃剂阻燃机理的不同，单独使用木纤维阻燃剂或塑料阻燃剂配方都难以达到 对木塑复合材料既定的阻燃目标。 4 制备阻燃型木纤维聚丙烯复合材料的结果表明：木纤维阻燃剂s a 加量、补强剂 种类、补强剂加量、塑料阻燃剂种类、塑料阻燃剂加量和木塑比例6 个变量因子中，木 材阻燃剂s a 加量、塑料阻燃剂加量和木塑比例对木塑复合材料的阻燃性能( 氧指数) 有显著影响，其他因子影响不显著。木材阻燃剂s a 加入不仅显著提高了板材的氧指数， 还使板材的一些物理力学性能有了显著提高；塑料阻燃剂a p m 和木材阻燃剂s a 共同作 用使木塑复合材料的阻燃效果显著增加；p p 塑料在复合材料中含量的提高可以显著增强 复合材料的物理力学性能，但导致材料氧指数有较大幅度的降低；补强剂加量增加可有 效提高复合材料物理力学性能，而补强剂种类和塑料阻燃剂种类对物理力学性能的影响 较小。木纤维阻燃剂s a 影响了补强剂的固化效果，其交互作用对物理力学性能有一定 的影响。 与普通木塑复合材料相比，阻燃型木塑复合材料氧指数显著提高，在整个燃烧过程 的热释放速率，平均质量损失速率和有效燃烧热值等燃烧特性值都有显著降低。 在最优工艺条件下，本研究制备的阻燃型木塑复合材料性能达到以下指标：氧指数 为3 9 6 ，达到国家公共安全行业标准g a g t - 9 4 中防火板f 1 级中氧指数3 5 的要求； 物理力学性能：2 4 h 吸水厚度膨胀率为1 0 1 5 ，内结合强度为0 9 6 6 m p a ，静曲强度为 3 5 4 5 m p a ，弹性模量为4 0 3 1 m p a ，沸腾试验内结合强度为0 2 7 2 m p a ，超过g b t 1 1 7 1 5 - 1 9 9 9 中室内潮湿环境用( 防潮型) 中密度纤维板要求，甚至达到室外用板的性能指标。研究 达到预期目标。 关键诃：阻燃，木纤维聚丙烯复合材料，物理力学性能。热解特性，燃烧特性 i i a b s t r a c t r e s e a r c ho nw o o d - p l a s t i cc o m p o s i t e si so n eo fi m p o r t a n tp a r ti nt h ef i l e do fb i o m a t e r i a l s s c i e n c e a sf l a m m a b i l i t yc h a r a c t e ro fw o o d - p l a s t i cc o m p o s i t e s ，f i r eh a z a r de x i s t sf o ri t si n d o o r u s a g e t h em a i no b j e c t i v eo ft h i ss t u d yi st of i n do u tn e wf l a m e - r e t a r d a n tw o o d p l a s t i c c o m p o s i t e st h a tc 锄b eu s e di n d o o r sa n dc o l l e c tt e c h n i c a ld a t af o rs t u d yi ni t sf o r t h e ri n d o o r a p p l i c a t i o n i nt h e e x p e r i m e n t ，w o o df i b e r - p o l y p r o p y l e n e ( p p ) c o m p o s i t e sw e r em a d e b y m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fw o o d - b a s e db o a r d t h em a i ne x p e r i m e n t a lf a c t o r st h a ti n f l u e n c e p h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc o m b u s t i o np r o p e r t i e so fw o o df i b e r - p pc o m p o s i t e sw a s a n a l y z e df i r s t ，t h e np r o p e rf i r er e t a r d a n t sw e r ec h o s e nf o rw o o df i b e r - p pc o m p o s i t e sb y u t i l i z i n gt h e s ed a t af r o mt g - d t aa n a l y s i s , c o n ec a l o r i m e t e ra n df t i ra n a l y s i s f i n a l l y o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d 懈u s e dt oa n a l y z et h er e l a t i o n sa m o n gk e yf a c t o r s a n dp r o p e r t i e so ff i r er e t a r d a n tc o m p o s i t e s b yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t , ak i n do ff l a m e - r e t a r d a n t w o o df i b e r - p pc o m p o s i t e sw i t he x c e l l e n tp h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a s p r o d u c e d i nt h i sp a p e r , t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w s 1 p pc o n t e n t , r e i n f o r c e m e n ts p e c i e s ，d e n s i t yo f p r o d u c t sa n df i b e rs i z ew f f f ec o n s i d e r e da s e x p e r i l l l e n t a lf a c t o r sa n dt h e i ri n f l u e n c eo np h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw o o df i b e r - p p c o m p o s i t e sw a sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef o u rf a c t o r sh a dd i f f e r e n te f f e c to n p h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s m o r ep pc o n t e n tc a u s e d s i g n i f i c a n te n h a n c e m e n to f p h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；r e i n f o r c e m e n tc a l li n c r e a s et h ep r o p e r t i e sv e r yw e l l ，e s p e c i a l l y w h e na d d i n g2 p a p ii nt h ec o m p o s i t e s ；叼 v h e nt h ed e s i g n e dd e n s i t yi n c r e a s e d i tc a u s e dt h e m o s ts i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n to np r o p e r t i e so fm o d u l u so fr u p t u r e ( m o r ) a n dm o d u l u so f e l a s t i c i t y ( m o e ) ；i n f l u e n c eo ff i b e rs i z eo np r o p e r t i e si sn o ts i g n i f i c a n t , b u tm i d d l e - s i z ef i b e r h a dr e l a t i v e l yb e t t e rp e r f o r m a n c e a sar e s u l t , t op r o d u c ee x c e l l e n tw o o df i b e r - p pc o m p o s i t e s ， t h el e v e l so ff a c t o r ss h o u l db e ：4 0 p pc o n t e n t , 2 p a p i 1 0 5 9 c m d e n s i t ya n dm i d d l es i z e f i b e r t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p o s i t e sm a d eu n d e rt h ec h o s e nf a c t o r sh a ds u p e rp r o p e r t i e s a n d c o u l d m e e tr e q u i r e m e n t o f n a t i o n a ls t a n d a r d o b f r l l 7 1 8 1 9 9 9 f o r e x t e r i o r f i b e r b o a r d i l l 2 t h ec r u c i a lf a c t o rd o m i n a t i n gc o m b u s t i o np r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sw a sc o m b u s t i o n h e a to f p pm a t e r i a l c o m b u s t i o nh e a lo f p pw a sm u c hh i g h e rt h a nw o o da n di tb a d l yd e c r e a s e d f i r ee n d u r a n c eo fc o m p o s i t e s w i t ht h ei n c r e a s eo fp p , t h eo x y g e ni n d e x ( o df e l ld o w n , h e a t r e l e a s er a t e ( h r r ) a n de f f e c t i v eh e a to fc o m b u s t i o n ( e h c ) i n c r e a s e dr a p i d l y r e i n f o r c e m e n t k e p td i m e n s i o n a ls t a b i l i t yi n f i r eb u ta c c e l e r a t e db u r r i n gb e h a v i o ro fc o m p o s i t e s ；o t h e r v a r i a b l e s , s u c ha sd e n s i t yo f p r o d u c ta n df i b e rs i z eh a ds o m ee f f e c to i lf i r eb e h a v i o r , b u tt h e i r i n f l u e n c ew a sn o ts i g n i f i c a n t t h ec a l c u l a t e da p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g ys h o w e dt h a t i nt h e p y r o l y s i sp r o c e s so fw o o da n d p pc o m p o s i t e s ，t h em a t e r i a l ss h o w e dc o d e c o m p o s i t i o n b e h a v i o r 3 t ga n dd t aa n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a ts ac h a n g e dt h e r m a lp y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c s o fw o o d f l a m e r e t a r d a n c er e s u l t e df r o ms ac a t a l y z i n gd e c o m p o s i t i o no fw o o dt oc h a r c o a la t l o w e rt e m p e r a t u r et os l o w e rc o m b u s t i o np r o c e s s t h et e s tr e s u l t so fp h y s i c a l - m e c h a n i c a l p r o p e r t i e ss h o w e dt h a td i f f e r f r o mr e g u l a rf i r e - r e t a r d a n tw o o d b a s e dp a n e l s ，t h es af i r e r e t a r d a n te n h a n c e dp h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw o o df i b e r - p pc o m p o s i t e s i tc a nb e e x p l a i n e dl i k et h a ts ae n h a n c e ds u r f a c ea c t i v a t i o no f w o o df i b e ra n dt h a tc o u l dm a k ea c t i v a t e d b o n d i n ga ti n t e r f a c eo f w o o da n dp pa n dw a si d e n t i f i e di nm e c h a n i s ma n a l y s i s d i f f e r e n tr a t i oo fp l a s t i cf i er e t a r d a n tl e dt od i f f e r e n to io fp p f o l l o w i n gt h r e ek i n do f c o m p o u n dh a v eg o o dp e r f o r m a n c e 0 1 1f l a m er e t a r d a n c e ：d b tc o m p o u n db y3p a r t so f d e e a b r e m o d i p h e n y le t h a n e ( d b d p e ) a n dlp a r to f a n t i m o n yt r i o x i d e ( s a 3 ；d b zc o m p o u n db y 2 7p a r t so fd b d p ea n dl p a r to fz i n cb o r a t e ( z b ) a p mm a d ef r o m1 0 0 a m m o n i u m p o l y p h o s p h a t e ( a p p ) b e c a u s eo fd i f f e r e n tf i r er e t a r d i n gm e c h a n i s m ，u s i n gw o o df i b e rf i r er e t a r d a n to rp l a s t i c f i er e t a r d a n ta l o n ec a nn o tm e e tf i r er e t a r d a n to b j e c t i v eo f w o o df i b e r - p pc o m p o s i t e s 4 s i xe x p e r i m e n t a lv a r i a b l e s ，s u c ha ss ac o n t e n t , r e i n f o r c e m e n ts p e c i e s ，r e i n f o r c e m e n t c o n t e n t ，p l a s t i cf i r er e t a r d a n ts p e c i e s ( p f r s ) ，p l a s t i cf i r er e t a r d a n tc o n t e n t ( p f r c ) a n dr a t i o 姗w o o df i b e ra n dp p ( w p r ) w e r et e s t e di nm a n u f a c t u r i n gf i r e - r e t a r d a n tw o o d - p l a s t i c c o m p o s i t e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es ac o n t e n t , p f r ca n dw p rw e r es i g n i f i c a n tf a c t o r s f o rf i r er e t a r d a n te f f e c t ( 0 i ) a n do t h e rf a c t o r sw e r en o tv e r yi m p o r t a n t i n c r e a s eo fs ac o n t e n t n o to n l yi m p r o v e do io fc o m p o s i t e s ，b u ta l s oi m p r o v e d5 0 m ep h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s g r e a t l y ；c o o p e r a t i o no fa p pi na p mp r e s c r i p t i o na n ds af i r er e t a r d a n tm a d ef l a m e p r o o f p r o p e r t yi m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y ；a d d i n gp pc a ni n c r e a s ep h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa t l a r g es c a l eb u td e c r e a s eo ir a p i d l y r e i n f o r c e m e n tc a ni n c r e a s et h ep r o p e r t i e sg r e a t l y , b u t r e i n f o r c e m e n ts p e c i e sa n dp w f sw e t en o ts i g n i f i c a n tc o m p a r e dw i t ho t h e rf a c t o r s p r o p e r t i e s o fs ah a ds o m eb a de f f e c to nc u r ed e g r e eo fr e i n f o r c e m e n t ；t h e i ri n t e r a c t i o nh a ds o m e i n f l u e n c eo np h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c o m p o s i t e s c o m p a r e d w i t l ln o r m a lw o o df i b e r - p p c o m p o s i t e s f i r e - r e t a r d a n t w o o df i b e r - p p c o m p o s i t e sh a dm u c hh i g h e ro i ，a n dh e a tr e l e a s er a t e ( h r r ) ，m e a nm a s sl o s sr a t e ( m m l r ) a n dm e a ne f f e c t i v eh e a to f c o m b u s t i o n ( m e h c ) w s ss l o wd o w ng r e a t l y u s i n gt h eo p t i m i z e df a c t o r st h ep r o p e r t i e so ff i r e - r e t a r d a n tw o o df i b e r - p pc o m p o s i t e s w e r ee x c e l l e n t o iw a s3 9 6 w h i c hm e e tr e q u i r e m e n t so fo i 3 5 i ns t a n d a r dg a s 7 - 9 4 ； t h i c k n e s ss w e l l i n ga f t e r2 4 h o u rw a t e ra b s o r p t i o n ( 2 4 h t s ) w a s1 0 1 8 ，i n t e r n a lb o n d ( i b ) w a s 0 9 6 6 m p a , m o d u l u so fr u p t u r e ( m o r ) w a s3 5 4 5 m p a , m o d e mo fe l a s t i c i t y ( m o e ) w a s 4 0 3 1 m p aa n db o i l i n gt e s to fi n t e r n a lb o n d ( b t i b ) w a s0 2 7 2 m p a t h et e s tr c s m ts u r p a s s e d n a t i o n a ir e q u i r e m e n t so fg b t 1 1 7 1 8 - 1 9 9 9o fh u m i dr e s i s t a n tf i b e r b o a r d ，a n di te v e nm e e t r e q u i r e m e n tf o ro u t d o o ru s a g e o b j e c t i v e so f t h er e s e a r c hh a db e e nm e t k e y w o r d s ：f i r er e t a r d a n t ；w o o df i b e r - p o l y p r o p y l e n ec o m p o s i t e s ；p h y s i c a l - m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；p y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c s ；b u r n i n gb e h a v i o r v 图表目录 表2 1 三种纤维的筛分百分比值1 8 图2 - 1 木纤维聚丙烯复合材料制造工艺流程图1 8 图2 2 木纤维聚丙烯复合材料热压工艺曲线图2 0 表2 - 2 木纤维聚丙烯复合材料变量因子与水平表2 2 表2 3 木纤维，聚丙烯复合材料试验安排表2 2 表2 - 4 木纤维聚丙烯复合材料性能测试内容和方法2 3 表2 - 5 木纤维聚丙烯复合材料物理力学性能2 4 表2 - 6 变量因子对木纤维- 聚丙烯复合材料物理力学性能影响的方差分析及显著性检验 2 1 f 表2 7 变量因子对木纤维聚丙烯复合材料物理力学性能影响的极差分析和差异性检验 ： 6 图2 3 试验产品剖面密度曲线2 9 表2 8 验证试验产品的物理力学性能3 6 表3 1 木纤维聚丙烯复合材料变量因子与水平表3 9 表3 - 2 木纤维聚丙烯复合材料燃烧性能测试试验设计3 9 图3 1 木纤维聚丙烯复合材料和原料的热重和微分热重分析4 l 表3 - 3 木纤维、聚丙烯及其复合材料在空气中表观动力学参数4 4 表3 4 木纤维聚丙烯复合材料的燃烧特性4 6 表3 5 变量因子对木纤维聚丙烯复合材料氧指数影响的极差分析4 7 表3 6 变量因子对木纤维聚丙烯复合材料点燃时间影响的极差分析4 8 图3 - 2 木纤维聚丙烯复合材料的热释放速率曲线4 9 表3 7 变量因子对木纤维聚丙烯复合材料峰值热释放速率的影响5 0 表3 8 变量因子对木纤维聚丙烯复合材料平均热释放速率影响的极差分析5 1 表3 - 9 变量因子对木纤维聚丙烯复合材料平均质量损失速率影响的极差分析5 2 表3 1 0 变量因子对木纤维聚丙烯复合材料平均有效燃烧热影晌的极差分析5 3 图4 1 阻燃型木纤维聚丙烯复合材料的制备工艺流程5 9 图4 - 2 普通纤维板和木塑复合材料的热压曲线6 0 表4 1 木纤维阻燃剂的筛选6 2 图4 - 3 木纤维、s a 阻燃剂和木纤维s a 混合物差热和微分热重曲线 表4 - 2s a 加量对复合材料氧指数和物理力学性能的影响6 5 表4 3 塑料阻燃剂复合配方的筛选6 7 i x 图4 - 4 阻燃聚丙烯和组分的热重、微分热重曲线( 溴+ 锑) 6 9 图4 5 阻燃聚丙烯和组分的热重、微分热重曲线( 溴+ 锌) 7 0 图4 - 6 阻燃聚丙烯和组分的热重、微分热重曲线( 磷+ 氮) 。7 1 表4 4 塑料阻燃配方对木塑复合材料氧指数的影响7 1 图5 1 阻燃型木纤维聚丙烯复合材料制备工艺路线7 4 表5 1 阻燃型木纤维聚丙烯复合材料制备的因素水平表7 5 表5 2 阻燃型木纤维聚丙烯复合材料制造正交试验安排表7 6 表5 3 阻燃型木纤维聚丙烯复合材料的氧指数和物理力学性能7 8 表5 4 变量因子对复合材料氧指数影响的方差分析及显著性检验7 9 表5 5 变量因子对复合材料氧指数影响的极差分析和差异性检验7 9 图5 2s a 加量和补强剂种类对复合材料氧指数影响的趋势图8 l 表5 - 6 变量因子对复合材料2 4 h 吸水厚度膨胀率影响的方差分析及显著性检验8 2 表5 7 变量因子对复合材料2 4 h 吸水厚度膨胀率影响的极差分析和差异性检验8 3 表5 - 8 变量因子对复合材料内结合强度影响的方差分析及显著性检验8 4 表5 - 9 变量因子对复合材料内结合强度影响的极差分析和差异性检验8 4 表5 1 0 变量因子对复合材料静曲强度影响的方差分析及显著性检验8 6 表5 1 l 变量因子对复合材料静曲强度影响的极差分析和差异性检验8 6 表5 1 2 变量因子对复合材料弹性模量影响的方差分析及显著性检验8 7 表5 1 3 变量因子对复合材料弹性模量影响的极差分析和显著性检验8 8 表5 1 4 变量因子对复合材料沸腾试验内结合强度影响的方差分析及显著性检验8 9 表5 1 5 变量因子对复合材料沸腾试验内结合强度影响的极差分析和显著性检验9 0 图5 3s a 加量和补强剂种类对复合材料物理力学性能影响的趋势图9 2 图5 4s a 加量和补强剂加量对复合材料物理力学性能影响的趋势图9 4 表5 1 6 阻燃型木塑复合材料的燃烧性能。9 6 图5 5 阻燃木塑复合材料的热释放速率9 7 表5 1 7 防潮型和室外型中密度纤维板物理力学性能1 0 2 表5 1 8 验证试验产品氧指数和物理力学学性能测试1 0 3 表6 1 全木纤维板的物理力学性能1 0 8 表6 2 木塑胶合板的性能测试1 0 9 表6 3 阻燃木纤维和阻燃剂的热解表观活化能1 1 0 图6 1 空白纤维和阻燃纤维板的红外谱图1 1 1 表6 - 4 空白木纤维和阻燃木纤维板的特征吸收对比1 1 2 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得本研究生培养单位或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 南秦日期：知7 年7 月r 。曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解中国林业科学研究院有关保留、使用学位论文的规定，中 国林业科学研究院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权中国林业科学研究院可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：高聚 帅年 7 月( 。日 学位论文作者毕业联系方式 工作单位： 联系电话：1 3 6 5 1 1 3 2 3 3 2 电子邮件：w o j i u s h i g l h o t m a i l c o r n 通讯地址、邮编： 导师签名：。j i 矿 p 一7 年7 月l 二日 1 1 引言 第一章绪论 木塑复合材料是利用不同组元形态的木材原料与塑料或回收塑料通过重组、复合等 技术手段形成的一种环境友好型的新材料。木塑复合材料以充分利用废旧木质原料和难 以降解的废弃塑料原料为特征，对于缓解目前木材资源匮乏和废旧塑料回收利用的问题 提供了新的解决途径。研究木塑复合材料在木材工业史上最具革命性，也是当前生物质 材料研究领域中重要的研究方向之一以木塑复合材料制造技术形成的产业正在对我国 的新材料制造业产生越来越大的影响0 - - 6 1 。 选择木塑复合材料的塑料原料时必须考虑木质纤维材料2 0 0 c 以上加速热解的特性 【7 。l ，塑料材料熔点不能太高。目前最常用的塑料品种包括高密度聚乙烯( h d p e ) 、聚丙 烯( p p ) 、聚苯乙烯( p s ) 和聚氯乙烯( p v c ) 舻，9 l o l 。除p v c 外，木质纤维材料和其他 三种塑料都属于易燃材料，不经阻燃处理不能达到建筑内部装修设计防火规范要求【i l 】， 用于室内存在一定的火灾隐患。火灾是各类灾害中发生最频繁且极具毁灭性的一种灾害。 研究固体可燃物的热解和着火特征，有效防止火灾发生，降低火灾损失是火灾科学的重 要研究内科1 2 】。木塑复合材料作为一种新兴而广泛使用的材料，却鲜有对其进行阻燃处 理研究的报道，研究其燃烧特性，合理进行阻燃处理是扩展其使用范围，使产品多样化 的重要手段之一1 1 0 , 1 3 , 1 4 。 1 1 1 研究背景 木塑复合材料在上世纪9 0 年代后发展非常迅速，其主要产品是回廊板、楼梯、护栏 以及少量民用消费品。由予主流产品都是用于室外建筑方面，以塑料加工工艺为主实现 产业化生产。为了提高复合材料性能，主要应用研究方向集中在提高复合材料强度 1 5 - - 2 、 保证尺寸稳定性1 2 2 - 2 4 1 、光稳定性口5 , 2 6 1 和防腐防虫 2 7 “3 0 等。 在木塑复合材料的阻燃特性研究方面，国内外大量公开发表的文献表明，单独对木 质纤维材料( 木材和人造板) 和聚烯烃材料的燃烧特性及其阻燃工艺研究已有了长足的 发展，但是针对木塑复合材料阻燃性能的研究报道却很少，从仅可查阅的资料发现，即 使加入阻燃剂，也只是考虑塑料的阻燃【3 1 埘】；对于根据木质原料的热解和燃烧特性选择 第一章绪论 阻燃剂方面的文献极少，也没有对木塑复合材料的阻燃效果提出明确的要求】。因此本 研究课题是一个全新的初探性课题，并将涉及多方面的内容，如：木塑复合材料的制造 工艺和改性研究，复合材料的热解和燃烧特性研究，复合材料阻燃剂的选择，复合材料 阻燃性能与物理力学性能相关性研究等。 1 1 2 研究目的和意义 人造板产业是我国国民经济的重要产业之一，在建筑装饰和家具行业应用广泛。但 由于常规人造板主要采用的是含甲醛成分的胶粘剂，因此不可避免地造成了室内甲醛污 染问题。木塑复合材料由于本身不加入含甲醛成分的胶粘剂，可以有效解决甲醛污染的 问题。同时还具有卓越的物理力学性能，因此可以作为种新型无甲醛人造板进行推广。 常规人造板和木塑复合材料都属于易燃材料，直接用于室内存在一定的安全隐患， 而且木塑复合材料可能造成的危害相对会更严重。因此对室内材料进行阻燃处理不仅可 以达到建筑内部装修防火规范要求，还具有重大的社会价值和意义。 本文在总结木塑复合材料领域研究进展的基础上，以木纤维和回收聚丙烯为主要研 究对象，采用人造板平压工艺路线，首先研究影响木纤维一聚丙烯复合材料的物理力学性 能的因子，再较系统地对木塑复合材料的燃烧、热解特性进行分析，选择适当的阻燃剂 和工艺参数，对阻燃型木纤维一聚丙烯复合材料的制备因子和性能表征的关系进行系统的 研究。此研究的成果将开发一种性能优异的防火人造板品种，为进一步改善木塑复合材 料的阻燃性能，扩展木塑复合材料的使用领域提供技术基础，具有较高的创新性。 1 2 木塑复合材料的改性和工艺研究现状 木塑复合材料由于是木材和高聚物两种性能差异明显的组元复合形成的材料，原料 之间存在着明显的界面。界面影响复合材料原料间力的传导，宏观表现为影响复合材料 的物理力学性能。木塑复合材料研究的主要内容包括改善界面性能以提高产品性能和通 过不同工艺使产品多样化、有效降低成本方面【l 那。 1 2 1 改善木塑复合材料性能的研究 提高木塑复合材料强度是扩大其用途的主要方法之一，最重要的手段是改善木塑界 面相容性。木塑复合材料中，塑料和纤维间的作用力受到很多因素影响，包括纤维和塑 2 第一章绪论 料的表面自由能，界面交互作用以及界面的特点和性质等，通过改变表面自由能、提高 纤维分散性、控制纤维方向和促进界面机械互锁的胶合方式可以达到提高复合材料性能 的目的【3 5 3 7 1 。 1 2 1 1 原料的改性处理 采用物理或化学方法对原料改性增加木塑界面的相容性，n - - - j - 以提高木质原料在塑料 中的分散度，达到提高整体性能的目的。 1 ) 物理方法 比较简单易行的方法如木材干燥处理、酸碱处理，热处理等 娜, 3 9 1 ，复杂的如等离 子体处理、电晕处理、喷镀等，物理处理方法改变纤维结构或表面性质来改变和塑料的 胶合强度。阴极喷镀可增加表面粗糙度提高界面胶合性能，而电晕处理是纤维表面氧活 化最有效的技术之- - 1 1 6 , 4 0 , 4 1 l 。 2 ) 化学改性 原料的化学改性无论是应用研究还是理论研究都是国内外学者研究的热点之一。主 要方法有：在木材表面利用化学试剂对极性羟基进行酯化、醚化：在引发剂作用下在木 材或塑料表面接枝共聚活性官能团；利用偶联剂对木材进行非极性预处理。通过化学改 性增加塑料与木材的相容性，达到提高界面胶合强度的目的。 用酸酐、酰氯等活性酰基化试剂处理木质原料，木质原料表面纤维素、半纤维素分 子中部分羟基反应生成酯。因为强极性羟基被弱极性酯基取代，部分缔合氢键被破坏， 木质原料表面非极性自由能增加，在塑料中分散度得以提高【4 5 1 。 在引发剂作用下，木材原料大分子被引发生成游离基，再与乙烯衍生物单体，如丙 烯腈、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等反应，或与含不饱和双键的高聚物反应，在木材表面 接枝共聚，引进与基体塑料相容性好的分子链帖4 8 】。也有研究含活性官能团的烯烃衍生 物接枝到聚烯烃上，包括：马来酸酐或酯、丙烯酸或酯、醋酸乙烯、丙烯腈和苯乙烯2 1 , 4 9 1 。 接枝共聚可以改变原料表面极性，但操作复杂。 利用偶联剂对木质材料进行非极性化预处理也是一种重要的手段，常用的有硅烷偶 联剂和钛酸盐或酯【3 6 , 3 7 , 5 引。不同的硅烷偶联剂、不同的处理方法对复合体系的影响不 同。有机硅烷与木质原料表面上的羟基发生脱水反应，最终与木纤维通过共价键或氢键 相连接，纤维表面