马长城，邓邵平，吕春杰，黄自勤

( 福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002)

木塑复合材料阻燃研究进展

马长城，邓邵平，吕春杰，黄自勤

( 福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002)

对木塑复合材料(WPC)的阻燃研究进展进行了综合阐述，总结了近几年WPC用阻燃剂及阻燃处理方法的研究成果，并根据研究中存在的问题，着眼于提高阻燃剂的阻燃性及与WPC的相容性，展望了今后木塑复合材料在阻燃剂改性方面的研究方向。

木塑复合材料；阻燃；改性

木塑复合材料(WPC)是指以PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PP(聚丙烯)及其共聚物等热塑性高分子材料和木粉、植物种壳等木质纤维材料为原料，经注塑、压制等成型方法制得的复合材料[1]。其兼具聚合物和木质纤维材料的优点，可部分或全部代替木材用于建材家具及包装领域[2]。然而，构成复合材料的木质纤维和聚合物均为易燃材料，使得几乎所有的WPC都易燃，一旦遇火就可能酿成灾难，给人民财产及生命安全造成严重损失，因此，开展木塑复合材料阻燃研究势在必行。

1 WPC的阻燃现状

1.1 WPC用阻燃剂

一直以来，卤素类阻燃剂[3]因具有用量小、效果明显、价格适中的优点而被广泛研究和应用，但其在燃烧时会产生毒性烟雾和腐蚀性气体，对环境和人身造成危害，因而逐渐被其他无卤阻燃剂(氮-磷系、硅系、膨胀型和铝-镁类阻燃剂)取代。其中，氮-磷系、膨胀型阻燃剂对WPC的阻燃作用明显，铝-镁类阻燃剂抑烟防滴作用显著。但在使用时应综合考虑阻燃效率、阻燃剂与WPC的相容性，生产成本及可能带来的环境问题。

1.1.1 氮-磷系阻燃剂 氮-磷系阻燃剂阻燃WPC的机理在于磷、氮类化合物受热分解需要吸收大量热量，产生的磷酸能促使聚合物脱水炭化形成石墨状焦炭层，起到隔热隔氧，延缓材料燃烧的作用[4]。APP(聚磷酸铵)和无机红磷是当前WPC阻燃研究的热点。Z.X.Zhang等[5]采用极限氧指数(LOI)，热重分析仪(TGA)和锥形量热仪(CONE)研究了APP对PP基木塑复合产品的阻燃作用，结果表明，APP的加入增加了复合材料的极限氧指数，降低了材料初始分解温度，促进了炭层的形成，提高了阻燃性能，但随其含量的增加，复合材料的物理力学性能降低了。G.Dorez等[6]将APP加入PBS(聚丁二酸丁二醇酯)基木塑复合材料中，利用TGA、PCFC(热解燃烧流量计)及CONE等手段测试了材料的阻燃性能，结果表明，APP促进了PBS基体的炭化，保留了木纤维的骨架结构，明显降低了材料的热释放速率。邵博等[7]也利用APP对HDPE基木塑复合材料进行了阻燃研究，结果同样表明APP降低了体系的热释放速率，提高了成炭率，但会显著降低材料的冲击性能。靳晓雨等[8]以Ⅱ型聚磷酸铵为阻燃剂制备了阻燃木塑复合材料，从水平燃烧及成炭情况来看，APP可有效改善WPC的水平燃烧性能，提高材料的水平燃烧时间，降低其燃烧速率。当阻燃剂添加量为20%时，材料水平燃烧未烧至25 mm处，阻燃木塑复合材料成炭量较未添加阻燃剂的提高了1倍，表现出良好的阻燃性能。但随APP量的增加，材料的拉伸强度及冲击强度却有所下降。除APP外，无机红磷因其阻燃效果好，添加少而逐渐成为研究热点，但基于红磷着火点低，需配以一定改性技术处理后方可使用，因此目前对其应用于WPC阻燃方面的研究较少[9]。

1.1.2 硅系阻燃剂 硅系阻燃剂的阻燃机理在于有机硅化合物燃烧时，分子中Si—C键转变成Si—O键，形成白色残渣和碳化物的复合层，阻止挥发物外逸，隔绝氧气与基材接触，防止熔体滴落，从而起到阻燃作用[10]，无机SiO2本身可充当材料的覆盖层，且还能对WPC起到力学性能补强作用。Z.X.Zhang等[5]在研究APP及SiO2具有阻燃性能的同时，表明加入少量的SiO2可以提升材料的拉伸强度。Q.Zhao 等[11]将富含木质纤维与Si的稻壳与HDPE复合制备了木塑复合材料，并对其热学性能进行了测试，结果表明，材料燃烧形成了白色覆盖层，阻隔了空气与基体内部的接触，提高了材料的稳定性，降低了其热扩散和释放的程度。雷晶旭[12]研究了纳米SiO2对PE基木塑复合材料的影响，结果表明，在木、塑质量比1∶1的情况下，适当的SiO2可使材料的力学性能大幅提高。赵艳娟[10]研究了层状硅酸盐与丙烯酸树脂混合的粘合涂层对WPC阻燃性的影响，结果表明，除稀释效应和脱水效应之外，硅酸盐还具有膨胀效应，在受强热时，能够形成一层连续的隔热隔氧屏障。

1.1.3 膨胀型阻燃剂 膨胀型阻燃剂以氮、磷、碳为主要元素，体系本身具有协同作用，其阻燃机理在于材料燃烧时会形成炭质泡沫层，起到隔氧、隔热、防滴、抑烟作用[13]。M.B.Alu Bakar等[14]将膨胀型阻燃剂添加到WPC中发现，材料阻燃效果较好，但拉伸强度等力学性能却出现不同程度降低。WKP Lim等[15]研究了APP及MC(三聚氰胺氰脲酸盐)对环氧树脂基木塑复合材料的热学性能和力学性能的影响，结果表明，APP比MC有更好的阻燃性能，5%的APP的阻燃效果最好，而要达到同等阻燃效果需要添加20%的MC，同时，若向4%的APP中加入1%的MC，材料的阻燃性能会得到一定程度改善。宋永明等[16]采用CONE、TGA、LOI 等手段分析了EG(可膨胀石墨)及其与APP复配对PP基木塑复合材料燃烧性能的影响，结果表明，随EG含量的增加，复合材料的热释放率、总热量、烟释放率及总烟量均显著降低，LOI值增大，表现出较好的阻燃、抑烟效果，与EG或APP阻燃试样相比，15%的复配比例EG/APP为2∶1的膨胀性阻燃剂能显著降低WPC的热、烟释放量，提高材料耐高温性能，增加成炭率和LOI值。董吉等[17]以APP、PER(季戊四醇)及自制成炭发泡剂复配制得的膨胀型阻燃剂可显著提高PP基木塑复合材料的LOI值及成炭率。房轶群等[18]将APP与淀粉复配制备了膨胀型阻燃剂，并将其应用到PS(聚苯乙烯)基木塑复合材料的阻燃中，结果表明，淀粉提高了APP的阻燃效率，但对材料的力学性能具有一定的不利影响，但当APP用量低于10%，淀粉低于2%时，材料力学性能良好。与磷系和硅系阻燃剂相比，膨胀性阻燃剂添加量一般较少，阻燃效果也更好。

1.1.4 铝-镁类阻燃剂 该类阻燃剂因环保优势明显，价格低廉，日益成为国内外学者关注的热点，其阻燃机理在于化合物分解可吸收大量能量，分解产生的水蒸气稀释了周围空气中的O2，化合物残渣覆盖在材料基质表面，进一步阻隔材料内部与空气接触[19]。M.Sain等[20]采用水平垂直燃烧仪和氧指数测定仪研究了Mg(OH)2、Mg(OH)2与硼酸锌或硼酸构成的复配阻燃剂对PP基木塑复合材料燃烧性能的影响，结果表明，Mg(OH)2能够有效提高复合材料的阻燃性能，但未观察到复配阻燃剂中，硼酸锌或硼酸与Mg(OH)2的协同阻燃效应。N.Suppakarn等[21]在将Mg(OH)2和硼酸锌复配应用到剑麻—PP基木塑复合材料时，也得到了相似的结论。此外，Garca M等[22]研究发现，采用Al(OH)3阻燃剂也能有效地提高WPC的阻燃性能。李斌等[23]采用Al(OH)3制备了阻燃型PE基木塑复合材料，结果表明，随木粉和Al(OH)3含量增加，复合材料的阻燃性能增强。李晓增[24]将Al(OH)3应用到PVC基木塑复合材料中表明，阻燃剂含量越高，LOI越大，阻燃性能越强，但其用量太大时，复合材料的原有力学性能将不同程度下降。因此，在运用此类阻燃剂时，很有必要对其进行改性处理。

1.1.5 其他 除几种常用阻燃剂外，硼化物及过渡金属化合物也能很好地改善WPC的阻燃性能，Y.Fang等[25]研究表明，硼酸锌抑烟效果较好，能降低总烟释放量的50%以上。白晓艳等[26]研究了硼化物对木粉/聚氯乙烯复合材料热解和燃烧的影响，结果表明，Na2B8O3·4H2O(四水八硼酸二钠)对复合材料影响较小，2ZnO·3B2O3·3.5H2O(3.5水硼酸锌)能提高复合材料的残炭量，与未经处理的材料相比，硼化物使燃烧产生的总烟量和总热量得到了不同程度的降低。同时，白晓艳等[27]还研究了过渡金属化合物对PVC基木塑复合材料热解过程的影响，结果表明，PVC复合材料热解分2个阶段进行，CuO的加入提高了第1阶段的质量损失，但降低了第2阶段的热释放速率，使得材料最终残炭量明显提升，而La2O3、TiO2使2个阶段的质量损失都降低了，稳定碳骨架的能力不如CuO。

1.2 WPC的阻燃处理方法

1.2.1 加入方法 添加法是指将阻燃剂与木质纤维材料、树脂材料直接混合，再经过一定的成型手段制得阻燃型木塑复合材料。这是当前WPC最常规的阻燃处理方法，APP、Al(OH)3等一般采用此种处理方法[14，20，23]。涂覆法是指将阻燃剂等制成浆料涂覆在WPC表面，达到隔热隔氧目的。该法操作简单，对材料性能影响较小，但阻燃层一经破坏，阻燃作用也就失效了[28]。方露等[29]研究了2种改性材料可膨胀石墨和云母对膨胀防火涂层阻燃性能及热降解行为的影响，结果表明，EG与云母的加入没有改变涂层的基本阻燃进程，但提高了热稳定性，改善了阻燃效果。鉴于涂覆法可能导致阻燃性能失效，目前绝大多数阻燃剂采用添加法。

1.2.2 协同阻燃 协同阻燃是指将2种或多种阻燃剂按一定比例复配制成复合型阻燃剂，将其加入WPC后，可克服单一阻燃剂防滴、消烟效果不佳，阻燃性能不高的缺点。目前所使用的膨胀性阻燃剂集酸源、气源和碳源于一身，本身就具有协同阻燃效果，尤以APP的使用最为典型[17]。其他类型的阻燃剂复配使用在木材和塑料阻燃方面[30-31]都很广泛，但较少见到在WPC阻燃中的应用。因此，可从木材及塑料阻燃研究中得到有效借鉴。

2 问题与展望

2.1 存在问题

WPC的阻燃研究还处于起步阶段，在加工过程中，还存在许多问题需要解决。

1)大多数阻燃剂为添加型粉体材料，极性一般都很强，具亲水基，和亲油的聚合物基体不相容，添加量少时，达不到阻燃效果；量大时，容易与基体界面产生空隙，降低WPC的物理力学性能。Z.X.Zhang等[5]在研究APP和有机硅对PP基木塑复合材料具有阻燃作用的同时，还发现随阻燃剂用量的加大，复合材料力学性能会降低。M.Sain等[20]在用Mg(OH)2对PP基木塑复合材料阻燃的同时，也得出了类似的结论。

2)WPC的阻燃不仅涉及木材阻燃、高分子材料阻燃，还与二者的相互作用有关，阻燃情况非常复杂，致使一些适合在木材或塑料中应用的阻燃剂不能直接应用到WPC阻燃上，李珊珊等[32]研究表明APP对木塑复合材料的阻燃不同于塑料，在塑料中添加PER可明显改善APP的阻燃性能，而在WPC中，未观察到PER的阻燃增效作用，这是因为WPC的木质纤维材料充当了碳源的作用。WPC阻燃机理研究也刚起步，至今未有十分明确的报道。

3)单一阻燃剂效率低，对聚合物材料物理机械性能影响大，多种阻燃剂的协效是一个热点，但各种阻燃剂复配过程中有可能出现交互影响或其他新的问题，协同机理探讨及阻燃剂改性显得十分关键。

2.2 展望

为了改善WPC阻燃效果，解决其加工中遇到的问题，今后应在WPC阻燃剂改性方面进一步研究。需要综合考虑各方面的影响因素，为拓展WPC在其他行业的应用打下坚实的基础。

1)纳米技术：纳米材料具有表面效应、量子尺寸效应和小尺寸效应，将阻燃剂制成纳米材料可使其在性能上优于常规阻燃剂，即具有高的阻燃性和好的界面相容性。

2)接枝改性技术：接枝改性阻燃剂的目的是通过化学偶联剂与阻燃剂表面的亲水性官能团发生作用，使阻燃剂从亲水向疏水转变，增强阻燃剂材料与聚合物基体的相容性，提高其在WPC中的分散性，以弥补阻燃剂的加入对WPC原有性能所造成的不利影响。

3)微胶囊技术：微胶囊技术是指利用天然或合成高分子为囊材，将固、液、气态的物质包覆起来，形成一定粒径范围的具芯-壳结构的微型胶囊技术。通过该技术可很好的保护囊内芯材理化性质不被破坏，可减小有毒物质对环境或人身造成的影响，可设想将阻燃剂包覆在有机物壁材的囊壳中，能有效改善阻燃剂与复合材料基体的相容性，增强阻燃效果。

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Research Progress in Flame Retarding of Wood Plastic Composites

MA Chang-cheng，DENG Shao-ping，LV Chun-jie，HUANG Zi-qin

(CollegeofMaterialEngineering，FujianAgricultureandForestryUniversity，Fuzhou350002，Fujian，China)

The research progress in wood plastic composites (WPC) was reviewed comprehensively；research findings in fire retardant and flam retarding processing methods of WPC in the past few years were summarized.According to the problems existing in the research，this paper paid attention to improving the flame retardancy of flame retardants and the compatibility of WPC，predicted the future wood plastic composite research direction in the aspect of flame retardant modification.

wood plastic composite；flame retardant；modification

10.13428/j.cnki.fjlk.2014.01.049

2013-06-08；

2013-07-07

福建省教育厅资助项目(JB09096)；福建省大学生创新训练项目(111ze1255)

马长城(1987—)，男，湖北利川人，福建农林大学材料工程学院硕士研究生，从事微胶囊制备及木塑复合材料阻燃方面的研究。E-mail：lovemccokay@163.com。

邓邵平(1964—)，女，福建邵武人，福建农林大学材料工程学院教授，硕士生导师，从事木材改性、生物质复合材料方面的研究。E-mail：fjdsp@126.com。

TQ321.2

A

1002-7351(2014)01-0235-04