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多層夾芯結構木塑復合材料阻燃與力學性能
星期四, 2月 29, 2024近年來，木材工業(yè)已逐漸發(fā)展成為能源消耗少、環(huán)境污染小的綠色低碳產業(yè)，在推進碳達峰、碳中和的過程中發(fā)揮著重要作用。然而，由于森林資源的匱乏加之國家天然林保護工程政策，我國木材的供需矛盾日漸突出，木材對外依存度已超過 50%，開發(fā)制備高性能功能化的木塑復合材料（WPC）對于緩解木材資源緊張具有重要意義。WPC 是由木質纖維和熱塑性塑料熔融共混經擠出、熱壓或注塑成型而制得的一類環(huán)境友好型復合材料。它既繼承了木材的天然親和感、質輕高強和易于加工的優(yōu)點，又克服了木材尺寸穩(wěn)定性差、不耐腐蝕、各向異性等缺陷，能夠作為一種高經濟性復合材料并廣泛應用于園林景觀、包裝物流、家裝及建筑等眾多領域。
然而，以木質纖維、聚乙烯/聚丙烯為主要組分制備的木塑復合材料極易燃燒，在實際使用中必須進行阻燃處理。膨脹型阻燃劑（IFR）體系通常由酸源、炭源和氣源組成，且已被證實可以顯著提高 WPC 的阻燃性能。當 IFR 被加熱或受到高溫燃燒時，炭源在酸源的催化作用下脫水成炭，碳化物在氣源分解的氣體作用下生成一種包裹在材料表面的較厚多孔膨脹炭層，用于隔絕熱傳導和可燃性氣體的擴散，從而抑制 WPC 燃燒?？膳蛎浭‥G）作為 IFR 中的代表，價格低廉，無毒低煙，且膨脹倍率高，具有優(yōu)異的阻燃效果。
但是，與大多數(shù)添加型阻燃劑一樣，高含量EG 的引入通常會使 WPC 的力學性能嚴重下降。因此，研究人員嘗試從各種途徑來改善復合材料力學性能，盡可能將阻燃劑所帶來的影響程度降到最低。通過自組裝聚乙烯亞胺（PEI）/纖維素納米晶體（CNC）/APP 設計了一種支化交聯(lián)網絡聚電解質復合物（PEC），證實 PEC 提供氫鍵間的互相作用能夠有效增強塑料基體與木質纖維、阻燃劑之間的界面相容性，從而改善復合材料整體的力學性能。采用硬脂酸鈉對氫氧化鎂進行表面改性處理，并與 EG 復配共同制備阻燃聚乙烯材料。結果表明，相較于未改性材料體系，改性氫氧化鎂與聚乙烯顆粒之間的相容性提高，增強了加工過程中阻燃劑與基體材料之間的結合性能。探究了 SiO2 對 WPC 力學性能的影響，結果表明，在粒子均勻分散的前提下，0.5~9wt%的 SiO2能夠將復合材料的力學性能提升15%~30%；探究了不同含量的納米二氧化硅（n-SiO2）對 HDPE 基木塑復合材料力學性能的影響，結果表明，n-SiO2 用量為 5wt%時，對復合材料的增強效果最佳；對比研究了EG/APP 在 WPC 中分散分布和分層分布對材料阻燃性能和力學性能的影響，結果表明，分層分布的阻燃 WPC 能夠更好地提升材料的阻燃性能和彎曲強度。
基于上述研究結論，本研究以 EG 為阻燃劑，n-SiO2 為增強劑，制備了表層阻燃、芯層增強的多層夾芯結構木塑復合材料，并探究不同的結構設計對復合材料阻燃和力學性能的影響，研究結果對開發(fā)高性能、功能型木塑復合材料，拓展木塑復合材料的應用領域具有重要的現(xiàn)實意義。
