木塑复合材料阻燃性能研究进展

木塑复合材料阻燃性能研究进展

刘艳军，李永峰

（山东农业大学林学院，山东 泰安 271000）

摘要：阐述了木塑复合材料的合成原理及其阻燃性能，并总结了常规阻燃剂

和新型纳米材料阻燃剂对木塑复合材料阻燃性能的影响，以及对木塑复合材料阻燃领域发展方向的展望。

关键词：木塑复合材料，阻燃性能，阻燃剂

Research Progress in Fire-retardant of Wood Plastic Composites

Yanjun Liu,Yongfeng Li

(Forestry of Shan Dong Agricultural University)

A bstract:Describes the synthesis of theory and flame retardant properties of

wood-plastic composites and summarizes the effects of conventional flame retardants and new nano-materials for WPC retardant properties as well as prospects for the development of wood-plastic composite material is flame retardant direction of the field.

Keywords:Wood Plastic Composites,Flame Retardant ,Fire Retardant 0前言

木塑复合材料作为一种节约能源，环境友好的新型材料，有着广阔的应用前景。

随着对其研究的不断深入，以及对较高的阻燃性能的木塑复合材料的生产开发，木塑复合材料必将在生产生活中的各个领域得到更加广泛的应用。

1木塑复合材料的合成原理

木塑复合材料成分主要分为基体、填充物和添加剂3部分。基体主要是热塑

性的塑料如:聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE )、聚苯乙烯(PS )、丙烯睛一丁二烯一苯乙烯(Ass等常见的通用塑料以及它们的发泡材料，也有采用酚醛树脂(PF)等热固性塑料川，还可以使用这些塑料的废弃回收物以及新材料和回收物的混合物[1]。

作为填充物的植物纤维来源非常广泛，主要有:废木屑、刨花、锯末等木材加工业的废弃下角料以及稻秆、花生壳、椰子壳、甘蔗、亚麻、黄麻等农作物纤维。 除了填充物和基体之外，为了提高木塑复合材料的使用性能，改善其加工性能，通常还需要加人添加剂。添加剂主要有润滑剂、分散剂、紫外线稳定剂、发泡剂、交联剂、阻燃剂等[1]。

2木塑复合材料阻燃性能

木塑复合材料的阻燃性能与木纤维阻燃剂加量、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等变量因子有关，木材阻燃剂加量、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，其他因子影响不明显[5]。其中有3个重要因素对木塑复合材料阻燃性能的影响最大，即木塑比例、阻燃剂种类和阻燃剂的添加量。木塑比例对材料的综合性能影响最大，木粉与塑料的比例提高时，材料的耐水性能提高，而材料的阻燃性能降低，静曲强度降低;在不同种类的阻燃剂对材料的阻燃性能改性实验中，复合磷氮类阻燃剂效果最佳;阻燃剂的添加实验表明，随着阻燃剂添加的量增加，材料的阻燃性能提高，内结合强度加大，而耐水性能降低[7]。

单一的木材阻燃剂或塑料阻燃剂都不能达到对木塑材料既定的阻燃效果，只有协同作用阻燃剂才能达到对木塑复合材料阻燃的良好效果。因此木材阻燃性能

与阻燃剂的选择和阻燃剂之间的协同关系是密切相关的，提高木材阻燃性能的方法就是优化阻燃剂的组分和充分发挥各阻燃剂之间的协同作用。

3阻燃剂

3.1常规阻燃剂

贺金梅[3]从各个组分出发研究木粉/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料阻燃，适用于复合材料中单一组分的阻燃剂都被考虑在内。发现APP对该复合材料的阻燃性能最好，可赋予其氧指数28.2%，比未阻燃配方提高了8.6个单位，非常适合木纤维增强LDPE复合材料，而且也没过多地劣化复合材料的物理机械性能。

董吉和李斌等[4]主要以APP、季戊四醇(PER)以及自制的成炭发泡剂((CFA)

复配成的膨胀型阻燃剂对木粉//PP复合材料进行阻燃。结果表明:膨胀型阻燃体系可以提高木粉//PP复合材料的氧指数与成炭性，当添加量为25%时，APP与PER复配阻燃的复合材料的氧指数可达27.5%, 800℃时残余炭含量为19.24%，而且该阻燃剂的加人对提高材料的拉伸强度和弯曲强度有一定作用。

张会平等[6]采用无卤阻燃剂聚磷酸按(APP)以及阻燃协效剂硼酸锌(ZB)硅藻土制备具有良好阻燃性能的木塑复合材料，阻燃剂在改善木塑复合材料阻燃性能的同时可提高材料的热稳定性当其用量为20份时复合材料垂直燃烧达到UL94V-0级此时体系的力学性能变化不大:ZB、硅藻土对木塑复合材料的协效阻燃规律不同于对塑料的阻燃规律添加2份硅藻土的阻燃体系形成的炭层最致密可有效地隔热隔氧。

3.2新型纳米材料阻燃剂

潘明珠[8]等通过研究纳米SiO2-APP对木塑复合材料界面特性及力学性能的影响得

到结论： 1)当纳米SiO2添加量2%一6% , APP添加量8%一10%时，两者可以均匀地分布在木塑复合材料的孔隙中，并且纳米SiO2可以与木质纤维形成Si-0-C结合，改善复合材料的界面性能;但是，APP添加量增加至12%时，纳米SiO2和APP之间会发生团聚，降低木塑复合材料的性能。2)当纳米SiO2添加量为2%一6% ,APP添加量为8%一10%时，木塑复合材料的拉伸强度和弯曲强度与未添加阻燃剂相比均增加，拉伸断裂伸长率基本保持不变，冲击强度降低，但降低程度低于仅添加APP时的木塑复合材料。通过双因素方差分析可知，纳米SiO2 ,APP的添加量以及两者之间的交互作用对拉伸性能、弯曲性能无显著影响;但APP的添加量以及两者之间的交互作用对冲击强度有显著的影响。

赵永生[9]等通过添加纳米碳酸钙对木粉/PVC复合材料的影响得到结论：通过造粒后挤出制备了NCC/ WF/ PVC木塑复合材料;未经表面改性WF/ PVC复合材料中加入NCC无助于提高复合材料的力学性能;木粉经有效表面改性可改善木粉与PVC间的界面强度并有利于力学性能提高;当ZH O8用量为m（ZHOS）/m(WF+ PVC=3/ 100时，拉伸强度和冲击强度分别提高了14. 5%和8. 99%，再少量加入NCC可发挥纳米效应进一步提高了力学强度，当NCC加入量为m ( NCC) / m ( WF+PV C) = 4/ 100时，复合材料的拉伸强度和冲击强度分别提高了19. 82%和13. 71%

CONE测试结果表明，PV C木塑复合材料中加入纳米碳酸钙可显著延迟点燃时间，降低燃烧热，提高燃烧残余率，有利于提高PVC木塑复合材料的阻燃性能。加入改性木粉可有效改善木粉与PVC界面强度，再加入少量NCC，可同时提PV C木塑材料的力学强度和阻燃性能。

由各项科学研究表明，纳米复合改性阻燃剂不仅提高阻燃性能、还具有增强、增韧作用，是实现木塑复合材料阻燃高性能化及低成本的一个重要的方向。

4木塑复合材料阻燃性能研究展望

4.1提高填充物和基体树脂相容性

在各项制约木塑复合材料使用寿命和应用范围的性能中，韧性低于母体材料

一直是木塑复合材料的一大缺陷。一般情况下，随着木粉用量的增加，材料的弯曲强度、冲击强度以及拉伸强度都会有所降低，尤其是高填充量时表现得更为明显。这是由于一方面木粉的加入破坏了树脂基体的连续性，且木粉本身为刚性物质，不利于能量的传递和扩散，降低了树脂基体吸收冲击能量和变形的能力;另一方面

木粉作为刚性天然高分子，含大量经基，存在较多分子内氢键，加热混合时容易聚集而不能均匀分散，从而造成力学性能的下降，随着木粉填充量增加，木粉聚集现象加剧，聚集颗粒引起材料的应力集中及产生缺陷的几率增大，进一步降低了复合材料的能量吸收和形变能力。这些因素，使得材料韧性变差，直接导致冲击强度和断裂伸长率的下降。因此，增强木塑复合材料韧性的关键是改善填充物和基体树脂的相容性[10]。

4.2

探究研究纳米技术阻燃新方法

21世纪纳米复合技术广泛应用于阻燃科学领域，取得了许多研究成果。因此，系统地研究和开发新型阻燃纳米复合材料具有重要的实际意义[11]。探索研究纳米技术的新方法，发展和完善阻燃纳米复合材料的制备技术及组合技术，深人研究阻燃纳米复合材料的结构和性能，进一步探讨阻燃纳米复合材料在高技术中的应

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