Biomacromolecules: 多功能阻燃、隔热和抗菌木基复合材料
Multifunctional Flame-Retardant, Thermal Insulation, and Antimicrobial Wood-Based Composites
Mengfei Zhang, Dong Wang, Ting Li, Jie Jiang, Huiyu Bai, Shibo Wang, Yang Wang*, Weifu Dong
Biomacromolecules 2023,(https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c01397)
生物基材料被认为是地球上丰富的生物质资源之一，在应对化石燃料的枯竭和不断升级的环境问题潜力巨大。木材是目前学术界和工业界正在研发的天然材料之一。然而木材固有的易燃性能会造成不可预测的损害，严重限制其功能性应用。因此，迫切需要创新的阻燃技术和阻燃木制材料。
木材的高孔隙率有利于对其进行改性。通过浸渍法将阻燃剂插入木材的孔隙中是目前提高木质材料耐火性能的重要途径。目前使用的阻燃剂包括无机阻燃剂、卤素阻燃剂、和磷氮阻燃剂。目前，氮磷阻燃剂具有阻燃效率高且环境友好的优点。植酸（PA）是一种无毒、可持续、环境友好的天然物质，具有高磷含量和成炭催化作用，已被用于制备防火功能材料。
《Biomacromolecules》杂志在线发表了本课题组完成的研究论文“Multifunctional Flame-Retardant, Thermal Insulation, and Antimicrobial Wood-Based Composites”。江南大学研究生张梦飞为论文第一作者，汪洋副教授为通讯作者。本文通过超分子反应和离子交换作用，以三聚氰胺、对氨基苯磺酸和植酸为原料合成了植酸基膨胀性阻燃剂AMPA。通过阻燃剂对脱木质素木材的浸渍和再结晶制备了木质复合材料，获得的复合木材具有阻燃、隔热和抗菌性能，为制备阻燃木质材料提供了一种方案。
通过SEM观测，天然木材具有典型的孔道结构，脱木质素后，木材横向界面的三维蜂巢状结构被很好地保留下来。与脱木质素木材相比，复合木材的导管通道直径要厚得多。经过AMPA化学处理后，复合木材的纵向通道变得粗糙，这表明AMPA聚集成片状晶体并沉积在木材支架表面，并测得S、P和N的浓度分别为6.5%、3.0和13.4%。
天然木材的LOI值为22.5%，脱木质素后增加至26.5%。对于改性木材，其LOI值增加至52.5%，表明其具有优异的防火性能。从HRR曲线可以观察到，相较于脱木质素木材，复合木材的最大热释放速率降至99.64 kW m-2。且最大热释放速率随AMPA添加量的增加进一步降至24.21 kW m-2。对样品的残炭进行了分析，发现由C、O、P、S和N组成。
对阻燃机理进行了分析，当样品暴露于高温或被点燃时，AMPA首先分解并释放大量不可燃气体，如H2O和NH3。这些不可燃气体稀释或隔离空气中的可燃气体并带走部分热量此外，AMPA中的PA基团可以催化木材主要成分的脱水和碳化AM的分解副产物与PA基团分解产生的聚磷酸相互作用可产生更稳定的焦渣，并保护基质不受进一步热分解的影响。
改性木材表现出各向异性的隔热性能，在径向上的导热系数值为0.025 W m-1 K-1，在轴向上的导热系数为~0.056 W m-1 K-1。通过抗菌测试，改性木材对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出很高的抗菌效果，这与PA结构的存在有很大关系，它会干扰细胞间粘附并导致细胞膜功能失常。
