從遠(yuǎn)古時(shí)代到今天，木材一直被用來建造橋梁、房屋、塔樓和家具等結(jié)構(gòu)。與鋼鐵、混凝土和其他建筑材料的制造工藝相比，木材加工不僅減少了能源消耗，而且由于其綠色環(huán)保特性而對(duì)碳足跡產(chǎn)生了積極的貢獻(xiàn)。盡管具有這些特性，但由于其高火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，木材在現(xiàn)代建筑行業(yè)仍面臨挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)滅火系統(tǒng)的改進(jìn)，快速**的滅火能力得到了大大提高，著火溫度的升高和結(jié)構(gòu)材料的延遲時(shí)間成為進(jìn)一步改善現(xiàn)代建筑消防安全問題的一個(gè)有希望的方向。盡管大多數(shù)先前的研究主要集中在降低木材在燃燒過程中的放熱率（HRR），但很少有**的方法來幫助延遲木材著火的報(bào)道。
阻燃劑通過化學(xué)反應(yīng)或充當(dāng)物理屏障，在著火，熱解或火焰蔓延期間干擾燃燒過程。在木材中添加阻燃劑可以提高材料的耐火性，而不會(huì)犧牲木質(zhì)材料的內(nèi)在優(yōu)勢。盡管鹵素和磷有機(jī)阻燃劑可以**降低HRR并提高木材的耐火性，但是有毒鹵素產(chǎn)品引起的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)仍然存在問題。相反，無機(jī)阻燃劑更綠色，更適合可持續(xù)應(yīng)用。大多數(shù)無機(jī)阻燃劑均具有出色的阻氣功能，包括粘土，粘土納米紙，二氧化硅，二氧化鈦，碳酸鈣和鎂鋁氫氧化物。它們通過使表面絕緣并延遲木材的熱分解來降低木材的HRR。然而，由于其各向同性的絕熱行為在火附近產(chǎn)生集中的熱通量，傳統(tǒng)的無機(jī)阻燃劑通常在改善點(diǎn)火性能方面效果有限。理想地，用于防火木材的無機(jī)阻燃劑應(yīng)在涂層的平面內(nèi)具有較高的導(dǎo)熱性，而在垂直于該平面的方向上具有較低的導(dǎo)熱性，從而降低木材的峰值溫度，從而提高點(diǎn)火性能。
【成果簡介】
美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授提出了一種簡單而可擴(kuò)展的方法，通過將致密化處理與厚度為30 ?m的納米層狀六方氮化硼（h-BN）涂層相結(jié)合來形成木材，從而形成所謂的BN致密化木材，從而提高了木材的耐火性。致密化已被證明可**地增強(qiáng)木材的阻燃性能，因?yàn)樗诒┞队诨鹧鏁r(shí)會(huì)自動(dòng)形成木炭層，從而起到**的隔熱和隔氧作用。此外，與其他無機(jī)阻燃納米材料不同，已知2D h-BN片材可形成具有各向異性熱性能的層狀結(jié)構(gòu)，并顯示出良好的尺寸穩(wěn)定性，理想的耐腐蝕性和抗氧化性能，在防火方面具有吸引力不僅可以降低HRR，還可以增強(qiáng)點(diǎn)火性能。如文獻(xiàn)報(bào)道，h-BN在平面內(nèi)和貫通平面方向上的熱導(dǎo)率分別為390和2 W/m/K。得益于h-BN的各向異性導(dǎo)熱性，BN致密化的木材可以**地將傳入的熱量沿著木材表面?zhèn)鬟f，并承受垂直方向的熱傳導(dǎo)。同時(shí)，納米層狀h-BN涂層可作為氧氣和揮發(fā)物的物理屏障，從而減緩放熱反應(yīng)。結(jié)果，大大降低了BN致密木材的燃燒速度。此外，涂覆方法簡單且可擴(kuò)展，可以為長度大于25厘米，寬度大于15厘米的BN致密木材創(chuàng)建三明治結(jié)構(gòu)。與文獻(xiàn)中報(bào)道的其他阻燃木質(zhì)材料相比，BN致密化木材顯示出很長的點(diǎn)火延遲時(shí)間和更高的拉伸強(qiáng)度之一。阻燃的BN致密木材滿足大規(guī)模生產(chǎn)，高機(jī)械性能和良好的防火安全性的要求。該成果以“Fire-Resistant Structural Material Enabled by an Anisotropic Thermally Conductive Hexagonal Boron Nitride Coating”為題發(fā)表在國際**期刊Adv. Funct. Mater.上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1.示意圖展示了BN致密木材的工作原理，展示了更高的耐火性和機(jī)械性能
a）BN致密木材的導(dǎo)熱性和隔熱性示意圖
b）在實(shí)驗(yàn)室中制造的可伸縮的BN致密木材
c）將BN致密木材的拉伸強(qiáng)度和點(diǎn)火延遲時(shí)間與其他地方報(bào)道的耐火木材的結(jié)果進(jìn)行比較
圖2.致密木材和BN致密木材的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)
a）致密木材和BN致密木材的照片
b）致密木材的SEM圖像顯示出高度壓縮的結(jié)構(gòu)和完全塌陷的木質(zhì)細(xì)胞壁
c）垂直于生長方向切割BN致密木材，以顯示h-BN僅覆蓋致密木材表面，同時(shí)保持內(nèi)部致密木材結(jié)構(gòu)
d）SEM圖像顯示BN致密木材的致密木材結(jié)構(gòu)
e）BN致密木材的橫截面SEM圖像顯示h-BN層的厚度為30 ?m
f）截面SEM圖像顯示了h-BN涂層的層狀結(jié)構(gòu)
g）BN致密化木材的SEM俯視圖顯示了h-BN片在致密化木材表面的分布
h）在BN致密木材表面上h-BN片的TEM圖像和SAED圖案
圖3.致密木材和BN致密木材的可燃性測試
a）致密木材在丙烷火焰下燃燒30 s的行為
b）示意圖顯示了燃燒后致密木材的形態(tài)變化
c,d）燃燒后致密木材的SEM圖像
e）BN致密木材在丙烷火焰下燃燒30 s的行為
f）示意圖顯示了燃燒后BN致密木材的形態(tài)變化
g,h）燃燒后BN致密木材的SEM圖像
圖4.致密木和BN致密木的阻燃性
a,b）確定臨界熱通量（qcrit）和TRP
c）在外部熱通量為50 kW/m2時(shí)，此工作的計(jì)算的點(diǎn)火延遲時(shí)間與其他報(bào)告的耐火木材結(jié)果的比較
d）木材樣品的Tig平均值，顯示95％的置信區(qū)間
圖5.演示BN致密木材的高度各向異性熱性能
a）致密木材的傳熱示意圖
b,c）入射熱垂直于木材生長方向的致密木材的紅外熱像圖
d）BN致密木材的傳熱示意圖
e,f）垂直于木材生長方向的入射熱的BN致密木材的紅外熱像圖
g）用于傳熱測試的BN致密木材的圖片
h）沿X軸分別顯示致密木材和BN致密木材的俯視溫度曲線
i）致密木材和BN致密木材沿Z軸的橫截面溫度曲線
【總結(jié)】
在這個(gè)工作中，作者通過一種簡單而**的涂覆方法展示了一種超強(qiáng)且耐火的BN致密木材。h-BN涂層是均勻的，并且水平堆疊在7毫米厚的致密木材的表面上，從而為**氧氣擴(kuò)散和暴露于熱時(shí)釋放的可燃揮發(fā)物提供了**的保護(hù)屏障。得益于h-BN的各向異性熱導(dǎo)率，BN致密化木材在平面內(nèi)方向上顯示出出色的熱擴(kuò)散率，并且在平面內(nèi)方向上顯示出**的熱阻擋。與未涂布的致密木相比，BN致密木的著火溫度（Tig）提高了41oC，著火延遲時(shí)間（tig）增長了兩倍，更大HRR降低了25％，表明總體上有所改善的耐火性。同時(shí)，BN致密化木材還顯示出**的機(jī)械性能，高達(dá)471.5 MPa的高抗拉強(qiáng)度和362 Mpa·cm3/g的特殊抗拉強(qiáng)度，表明了這些傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的超強(qiáng)輕質(zhì)替代品。這項(xiàng)工作表明，各向異性導(dǎo)熱h-BN阻燃涂料不僅增強(qiáng)了木材的耐火性，而且還保持了致密化賦予材料的高強(qiáng)度，代表了開發(fā)可滿足要求的高性能結(jié)構(gòu)材料的有希望的方向。
文獻(xiàn)鏈接：
Fire-Resistant Structural Material Enabled by an Anisotropic Thermally Conductive Hexagonal Boron Nitride Coating. Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201909196.
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