木质素包覆磷酸盐用于双面提升刨花板的防火性能和机械性能

《Bioresource Technology》：Lignin-shelled phosphate for bilateral enhancement of fire resistance and mechanical properties of strandboards

本研究以木质素为原料制备核壳结构磷氮阻燃剂，赋予定向 strandboard（OSB）材料同时提升阻燃与机械性能。通过调整木质素含量，系统评估了阻燃剂对OSB板性能的影响。实验表明，改性阻燃剂使OSB内部结合强度提升23%，抗弯强度和弹性模量分别提高14%和45%，极限氧指数（LOI）提高53%，烟雾和热量释放率分别降低45%和25%。数字图像相关（DIC）技术证实了弯曲性能的改善，炭层分析显示木质素壳层形成高石墨化炭层有效阻隔热与氧传递，解决了传统磷氮阻燃剂导致机械性能下降的问题。该生物基阻燃剂系统为绿色建筑材料的高值化利用提供了新途径。

　　这项研究聚焦于一种新型的氮-磷阻燃剂的开发，其采用木质素作为壳层材料，旨在解决传统阻燃剂在提升木材复合材料阻燃性能的同时，往往导致机械性能下降的问题。木质素作为造纸工业的副产品，近年来因其丰富的碳源特性被广泛应用于阻燃系统中。然而，由于木质素分子中存在较高的表面能和强烈的聚集倾向，导致其在粘合剂体系中的分散性和相容性较差，进而增加了粘合剂涂覆和应用的难度。针对这一挑战，研究团队通过调整阻燃剂的核心与壳层比例，成功合成出三种不同木质素含量的阻燃剂，并系统评估了其在木质板中的性能表现。

研究发现，与传统的磷-氮阻燃剂处理的木质板相比，改进后的阻燃剂处理版本在内部结合强度、弯曲强度和弹性模量方面分别提高了23%、14%和45%。这一显著提升得益于阻燃剂的壳层结构，它不仅增强了阻燃剂与粘合剂之间的界面相容性，还提高了整体的机械稳定性。此外，数字图像相关技术（DIC）被用于定量分析木质板的弯曲性能，揭示了改进后的阻燃剂在提高材料性能方面的具体作用。研究还发现，改进后的阻燃剂在燃烧过程中能够形成更致密、热稳定性更高的炭层，从而有效隔离氧气扩散和热量传递，提升阻燃效果。

通过锥形量热仪测试，研究评估了阻燃剂的阻燃性能，并分析了残留炭层的结构，以揭示其阻燃机制。结果表明，改进后的阻燃剂在限制氧指数方面提高了53%，同时烟雾生成和热释放速率分别降低了25%和45%。这表明，改进后的阻燃剂在阻燃性能方面具有显著优势，能够有效减少火灾带来的危害。研究团队还发现，木质素壳层在高温下的石墨化行为，与磷酸盐核心的熔化和炭化行为相辅相成，进一步促进了炭层的形成，提高了阻燃系统的保护性能。

此外，研究团队还探讨了木质素在木材复合材料中的应用潜力。木质素不仅能够提供独特的增强和抗菌性能，还能够作为粘合剂的成分，提升复合材料的整体性能。然而，由于木质素本身的物理和化学特性，其在粘合剂体系中的应用仍面临一定的挑战。通过引入聚氨酯壳层，研究团队成功改善了木质素与粘合剂之间的相容性，使其在复合材料中能够更好地发挥作用。这一设计不仅提升了材料的机械性能，还增强了阻燃效果，为可持续建筑材料的功能化提供了新的思路。

研究还涉及了阻燃剂的合成过程和材料表征方法。通过红外光谱分析，研究确认了阻燃剂的合成成功，特别是通过聚氨酯壳层的形成，提升了阻燃剂的结构稳定性和功能特性。研究团队还利用显微镜和功能基团分析对阻燃剂的形态和化学结构进行了详细研究，以进一步优化其性能。这些表征手段为理解阻燃剂的作用机制提供了重要的依据，同时也为后续的材料改进和应用提供了科学支持。

研究结果表明，木质素衍生的阻燃剂在提升木材复合材料的机械性能和阻燃性能方面具有显著优势。通过系统的实验设计和性能评估，研究团队成功开发出一种结合了阻燃性和环境相容性的生物基阻燃系统，为可持续建筑材料的功能化提供了新的解决方案。这一研究不仅对木材加工行业的绿色转型具有重要意义，也为相关材料科学领域的进一步发展提供了参考。

综上所述，这项研究通过创新性的设计，成功解决了传统阻燃剂在提升木材复合材料性能方面的不足，为开发高性能、环保型的阻燃材料提供了新的思路。研究团队的努力不仅推动了木材加工行业的技术进步，也为实现碳中和目标提供了支持。通过深入探讨木质素在阻燃系统中的应用潜力，研究为可持续建筑材料的未来发展奠定了坚实的基础。