阻燃竹基纖維復(fù)合材料的制造與性能評價.pdf

1、竹基纖維復(fù)合材料是以纖維化竹單板為構(gòu)成單元，按順紋組坯、經(jīng)熱壓（或冷壓）膠合而成的板材或方材，這種材料突破了竹材人造板加工利用的竹材徑級限制難題，并使竹材的一次利用率從20％-50％提高到了90％以上，實現(xiàn)了竹材人造板從室內(nèi)地板、家具、水泥模板等中低端應(yīng)用領(lǐng)域到高強度風電葉片基材、高耐候性戶外材料等高附加值領(lǐng)域的跨越。然而，因組成竹基纖維復(fù)合材料的基本單元——纖維化竹單板屬于易燃材料，不經(jīng)阻燃處理很難達到相關(guān)防火規(guī)范的要求，存在著一定的

2、火災(zāi)隱患。對竹基纖維復(fù)合材料進行阻燃處理，研究材料的燃燒特性，必將成為擴展竹基纖維復(fù)合材料使用范圍以及實現(xiàn)竹基纖維復(fù)合材料產(chǎn)品多樣化的重要手段。開展竹基纖維復(fù)合材料阻燃性能的系統(tǒng)研究，不僅可以擴寬竹基纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，同時還可以為相關(guān)標準的制定及竹基纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的開發(fā)提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)，這對提升我國竹材產(chǎn)業(yè)的整體競爭力、推廣竹基纖維復(fù)合材料產(chǎn)品、提高其附加值都具有重要的意義。
　　 本論文主要以毛竹（Phyllosta

3、chys pubescens）、慈竹（Neosinocalamus affinis）為研究對象，以聚磷酸銨(APP)、磷酸氫二銨(DAP)為阻燃劑，將纖維化竹單板進行阻燃處理后，制備了阻燃型竹基纖維復(fù)合材料，并利用萬能力學(xué)試驗機、錐形量熱儀、熱重-差熱聯(lián)用分析儀、掃描電鏡-能譜連用儀等，對材料的力學(xué)性能、燃燒性能和熱解行為特征等進行分析表征，重點分析了纖維化竹單板中阻燃元素的分布狀態(tài)，研究了竹基纖維材料制備工藝對材料性能的影響，探討了竹

4、基纖維復(fù)合材料性能隨阻燃劑用量的變化規(guī)律，并揭示了阻燃劑對竹基纖維復(fù)合材料阻燃性能的影響機理，為阻燃型竹基纖維復(fù)合材料的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。
　　 主要研究結(jié)論如下:
　　 (1)通過對阻燃劑處理后纖維化竹單板的載藥率的研究，分析了纖維化竹單板的竹種來源、浸漬阻燃劑的種類、浸漬處理的工藝等因素對阻燃處理效果的影響，得出了阻燃處理纖維化竹單板的制備工藝。纖維化竹單板的載藥率隨纖維化竹單板竹種來源的變化不大，慈竹纖維化竹

5、單板的載藥率與毛竹纖維化竹單板的載藥率基本相同;載藥率隨浸漬阻燃劑的種類而變化，DAP處理纖維化竹單板的載藥率略低于APP處理纖維化竹單板的載藥率;載藥率隨浸漬處理的工藝而變化，高濃度阻燃劑處理的纖維化竹單板的載藥率高于低濃度阻燃劑處理的纖維化竹單板的載藥率。纖維化竹單板的斷面電鏡和元素分析表明，阻燃處理后新增的N、P兩種元素已均勻地分布在竹材的組織中，當使用濃度為25％的APP對慈竹纖維化竹單板浸漬處理后，N元素含量由處理前的0.23

6、％增大到處理后的9.59％，P元素含量由處理前的0.24％增大到處理后的14.81％。為適應(yīng)復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝要求，阻燃劑浸漬時間統(tǒng)一定為3h，當使用濃度為25％的APP對慈竹纖維化竹單板浸漬處理后，纖維化竹單板的載藥率可達到最大值19.29％。
　　 (2)當以DAP作為竹基纖維復(fù)合材料阻燃劑時，纖維化竹單板的竹種來源、DAP阻燃劑的浸漬濃度、竹基纖維復(fù)合材料的密度等因素對材料的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、抗壓強度、水平剪

7、切強度、吸水寬度膨脹率、吸水厚度膨脹率、熱解性能等產(chǎn)生不同的影響。以慈竹為原料制備的竹基纖維復(fù)合材料的靜曲強度、彈性模量、抗壓強度、水平剪切強度、吸水寬度膨脹率、吸水厚度膨脹率等均高于以毛竹為原料制備的竹基纖維復(fù)合材料，而慈竹竹基纖維復(fù)合材料的內(nèi)結(jié)合強度則低于毛竹竹基纖維復(fù)合材料;當DAP阻燃劑的浸漬濃度增大時，板材的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、抗壓強度、水平剪切強度等均減小，吸水寬度膨脹率、吸水厚度膨脹率則增大;當竹基纖維復(fù)合材料

8、的密度增大時，板材的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、抗壓強度、水平剪切強度等均增大，吸水寬度膨脹率、吸水厚度膨脹率則減小。竹基纖維復(fù)合材料的熱降解過程可分為四個階段，材料的熱解性能隨DAP阻燃劑的浸漬濃度而變化，當DAP阻燃劑的浸漬濃度增大時，材料600℃質(zhì)量殘留率增大，由10％增大至25％。
　　 (3)當以APP作為竹基纖維復(fù)合材料的阻燃劑時，纖維化竹單板的竹種來源、APP阻燃劑的浸漬濃度、竹基纖維復(fù)合材料的密度等因素對材料

9、的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、抗壓強度、水平剪切強度、吸水寬度膨脹率、吸水厚度膨脹率、熱解性能等產(chǎn)生不同的影響。以慈竹為原料制備的竹基纖維復(fù)合材料的靜曲強度、彈性模量、抗壓強度、水平剪切強度、吸水寬度膨脹率、吸水厚度膨脹率等均高于以毛竹為原料制備的竹基纖維復(fù)合材料，以慈竹為原料制備的竹基纖維復(fù)合材料的內(nèi)結(jié)合強度則低于以毛竹為原料制備的竹基纖維復(fù)合材料;當APP阻燃劑的浸漬濃度增大時，板材的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、抗壓強度、水

10、平剪切強度等均減小，吸水寬度膨脹率、吸水厚度膨脹率則增大;當竹基纖維復(fù)合材料的密度增大時，板材的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、抗壓強度、水平剪切強度等增大，吸水寬度膨脹率、吸水厚度膨脹率則減小。材料的熱解性能隨APP阻燃劑的浸漬濃度而變化，當APP阻燃劑的浸漬濃度增大時，材料600℃質(zhì)量殘留率增大，由10％增大至24％。
　　 對比表明，經(jīng)APP阻燃劑處理的竹基纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能均高于經(jīng)DAP處理的材料，經(jīng)APP處理材料的

11、600℃質(zhì)量殘留率與經(jīng)DAP處理材料的質(zhì)量殘留率基本相同。
　　 (4)當以按不同比例混合的DAP、APP作為竹基纖維復(fù)合材料的阻燃劑時，板材的力學(xué)性能、耐水性能、熱解性能等隨DAP與APP的混合比例而變化，板材的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、抗壓強度、水平剪切強度、600℃質(zhì)量殘留率等隨APP比例的增大呈先增大后減小的趨勢，而吸水寬度膨脹率、吸水厚度膨脹率等則隨APP比例的增大呈先減小后增加的趨勢。當DAP∶APP=1∶1時

12、，板材的力學(xué)性能最大，吸水膨脹率最小，熱解殘留率最大;當DAP∶APP=3∶1時，板材的力學(xué)性能最小，吸水膨脹率最大，熱解殘留率最小。材料的熱釋放速率、熱釋放總量、有效燃燒熱、發(fā)煙總量等隨著APP含量的增大而有所減小，當DAP∶APP=1∶3時，材料的熱釋放速率為25.65kW/m2，熱釋放總量為46.11MJ/m2，有效燃燒熱為4.31MJ/kg，發(fā)煙總量為1.63m2。
　　 (5)當DAP、APP加入竹基纖維復(fù)合材料中，其

13、磷化物和氮化物具有阻燃功效，并產(chǎn)生磷-氮的協(xié)效阻燃作用，在燃燒過程中發(fā)生吸熱發(fā)應(yīng)，分解生成不燃氣體以及不燃的液態(tài)膜，在高溫下形成膨脹碳層，從而阻止材料的持續(xù)燃燒。材料的熱解動力學(xué)參數(shù)隨阻燃劑的浸漬濃度而變化，經(jīng)25％濃度的DAP、APP處理后，材料熱解的表觀活化能分別為45.03KJ/mol、50.68KJ/mol，竹基纖維復(fù)合材料的燃燒過程接近于一級反應(yīng)。經(jīng)DAP、APP處理后，材料燃燒的引燃時間延長，熱釋放速率、熱釋放總量均大幅度地