聚磷酸铵—三氯化铁-5A分子筛对木材的协同阻燃抑烟作用

【摘要】木材具有天然的纹理和美感广泛用于建筑装饰中。但是木材易燃,许多火灾的引发和蔓延都与木材有关,对木材进行阻燃抑烟处理事关人民生命财产安全。聚磷酸铵（APP）是一种常用的木材阻燃剂,具有阻燃效率高且价格便宜等优点。然而,在阻燃的同时,APP也会催化产生大量的烟雾和毒气。分子筛具有均匀的孔道结构,大的比表面积,常用作吸附剂和催化剂；过渡金属常用作一些氧化反应的催化剂。鉴于分子筛和过渡金属这些特点,本研究将过渡金属负载于分子筛孔道中与APP组成复合阻燃剂,并将此复合阻燃剂作用于木材,研究其阻燃、抑烟及减毒作用的特点及机理。利用锥形量热法探讨研究了聚磷酸铵处理木材的燃烧和烟气释放特性。研究结果表明,APP使木材的总热释放量和总烟释放量分别降低了47.64%和61.40%,CO平均产率却升高到对照样品的2.58倍。表明,APP具有很好的阻燃及抑烟作用,但是由于其气相阻燃机理具有隔绝氧气、阻断自由基链式燃烧反应的特点,使裂解气不完全燃烧,产生较多的以CO为代表的有毒气体。因此,用APP作为木材阻燃剂,需同时加入有减毒效果的物质。研究表明,分子筛的加入可以促进APP对木材的抑烟作用,且使APP阻燃木材时产生的大量CO产率大大降低。实验比较了5种分子筛与APP复合阻燃剂的阻燃、抑烟及减毒作用的特点,筛选出5A分子筛具有最好的阻燃、抑烟及减毒效果。对比了6类金属盐水合法改性5A分子筛与APP复合阻燃剂对木材阻燃、抑烟及减毒作用的特点,筛选出FeCl3改性5A分子筛具有最好的阻燃、抑烟及减毒效果。优化Fe元素与5A分子筛的改性比例,得出Fe元素与5A分子筛的质量比为15%时改性得到的5A分子筛具有最好的阻燃、抑烟及减毒效果。研究了负载法生成的FeCl3改性5A分子筛和混合法生成的FeCl3改性5A分子筛这两种复合阻燃剂与APP联合作用于木材的阻燃、抑烟及减毒作用。结果表明,负载法得到的复合阻燃剂阻燃和抑烟作用比混合法得到的阻燃剂稍好,但是在减低CO产率方面,负载法得到的复合阻燃剂比混合法得到的复合阻燃剂好得多,负载法复合阻燃剂阻燃试样CO平均产率比混合法要低2.15倍。所以,负载法制备的W+A+FeM复合阻燃剂对CO为代表的毒性成分具有较高的催化转化活性。利用热重、扫描电镜、py-GC-MS等方法研究了APP、分子筛及FeCl3改性分子筛对木材阻燃作用及烟气调控作用的机理。APP改变木材裂解的方向,促使木材裂解往生成更多碳和水的方向进行,生成稳定致密的碳层,从而达到保护内部木材的效果,且稳定的碳层不易产生小颗粒的碳,减少了烟尘的释放。分子筛和Fe元素的加入能催化氧化以CO为代表不完全燃烧产物,并且使得羰基、羧基、羟基、甲基等脱除反应以及多环芳香族化反应深入进行,转化为毒性更小的以CO2为代表完全氧化产物。因此,添加负载法FeCl3改性分子筛可以有效降低APP阻燃木材火灾中燃烧产物的毒性。将过渡金属改性分子筛用于木材阻燃过程中的烟气转化和抑烟减毒,是本研究的特色和创新。
【作者】陶旬；
【导师】胡云楚；
【作者基本信息】中南林业科技大学，木材科学与技术，2014，硕士
【关键词】聚磷酸铵；分子筛；过渡金属；阻燃抑烟；减毒；

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