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從古至今，木材就與我們的生活息息相關。在古代，木材就一直被用作建築材料，但是其非常易燃，尤其是使用時間越久越易燃燒。雖然木材在現代建築業中仍面臨挑戰，但是隨著頻率抑制系統的改進，極大的提高了快速且有效的滅火能力。此外，隨著著火點的升高以及結構材料的延遲時間，進一步提高現代建築的安全性。然而，之前大多數的研究主要集中在降低木材在燃燒過程中的放熱率（HRR），而很少報導有效的方法來幫助延遲木材著火時間。 眾所周知，阻燃劑是通過化學反應或充當物理屏障，在著火、熱解或火焰蔓延期間干擾燃燒過程。因此，在木材中添加阻燃劑可以提高木材的耐火性，且不會犧牲木材的內在優勢。雖然鹵素和磷有機阻燃劑可以有效降低HRR並增強木材的耐火性，但是有毒鹵素產品會引起其它嚴重的問題，所以無機阻燃劑（粘土、粘土納米紙等）更綠色、更適合可持續應用。但是，傳統的無機阻燃劑由於其各向同性的絕熱性能而在著火點附近集中熱量（即熱量不能有效地散布在木材表面），因此在改善著火性能方面的作用有限。因此，理想的用於耐火木材的無機阻燃劑應在塗層平面內具有較高的熱導率，而在垂直於該平面的方向上應具有較低的熱導率，從而降低木材的峰值溫度，以提高木材的防火性能。 ... 基於此，美國馬里蘭大學的胡良兵教授（通訊作者）結合他們多年來在木材研究方面取得的豐碩成果，以及積累了豐富的關於木材的知識，他們通過將緻密化處理與六方氮化硼（h-BN）納米薄片的各向異性導熱阻燃塗層相結合，開發了一種堅固的、耐磨損的BN緻密化木材。利用BN塗層可以提供了快速的面內熱擴散，減緩了通過緻密化木材的熱傳導，從而提高了木材的防火性能。對比沒有BN塗層的緻密木材，其著火點（Tig）提高了41℃，著火延遲時間（tig）增長了兩倍，並且BN緻密化木材的最大放熱率（HRR）降低了25％。如圖1所示，作者製備了長度大於25 cm、寬度大於15 cm、厚度大於7 mm的BN緻密化木材。改進後的熱管理、耐磨損性、機械強度以及可擴展生產的BN緻密化木材生產使其成為一種有希望的材料，可用作安全、節能的建築材料。 ... 圖1、BN緻密化木材的工作原理示意圖 【圖文解讀】測定BN緻密化木材的形態和微觀結構 圖2a展示了通過化學脫木素和熱壓製備的棕色緻密木材的圖片，其中顏色變化表明h-BN是如何有效覆蓋緻密化木材的表面。如圖2b中的SEM所示，緻密化木質結構具有完全塌陷的細胞壁。垂直於生長方向切割厚度為7 mm的BN緻密化木材（圖2c），並在BN塗層後仍完整保存緻密和纏結的木材結構（圖2d）。BN緻密化木材具有類似三明治的結構，緻密華木材完全被薄薄的h-BN塗層覆蓋在外表面上（圖2e，2g）。高解析度橫截面SEM圖像進一步揭示了h-BN納米片的分層結構（圖2f）。此外，大多數具有分層結構的h-BN納米片都很好地塗覆在緻密的木質表面上，對於在木質基材中實現有效的熱管理非常重要（圖2g）。透射電子顯微鏡（TEM）進一步顯示h-BN片為六邊形（圖2h）。所選區域的電子衍射圖還顯示了h-BN納米片的兩個特徵衍射環（002）和（100）（圖2h）。 ... 圖2、緻密化木材和BN緻密化木材的形態和微觀結構 可燃性測試 如圖3所示，作者通過將緻密化木材和BN緻密化木材樣品暴露於丙烷火焰中30 s並監測火焰傳播，以探索其可燃性。研究發現緻密化木材在5 s內被點燃，隨後8 s內散發出強烈的火焰，在31 s時，即使移除了丙烷割炬，緻密化木材仍在燃燒（圖3a）。圖3b顯示了暴露在火焰中的緻密化木材的示意圖。完全坍塌的木質細胞在燃燒30 s後膨脹，並最終在材料表面形成木炭層（圖3c-d）。然而，經BN壓實的木材可以承受暴露於同一火焰8 s，並在31 s移開火焰後表現出自熄滅作用（圖3e）。觀察到的抗可燃性和自熄性與h-BN塗層的各向異性熱性能和氧絕緣能力相關（圖3f）。通過SEM測量以更好地理解h-BN塗層的保護作用。儘管在BN緻密木材的橫截面上觀察到一些細微的裂縫，但是即使燃燒30 s後，h-BN塗層緻密化木材的大多數木質細胞壁仍保持緊密封閉，表明該木材具有持續的保護作用（圖3g）。由於h-BN塗層的各向異性導熱性，h-BN層在緻密化木材表面上得到了很好的保護（圖3h）。此外，良好的h-BN層減慢了氧氣和熱解產物的運輸，從而有助於保護木材被燃燒。 ... 圖3、緻密化木材和BN緻密化木材的可燃性 阻燃性測試 接著，作者利用錐形的量熱儀研究了BN緻密化木材的阻燃性行為。通過在BN緻密化木材上施加了20、30和40 kW m-2的外部熱通量（qex），並測量了相應的HRR。在圖4a-b中繪製並比較了相應的著火延遲時間（tig）。通過研究發現，BN緻密化木材的熱響應參數（TRP）為480 57 s0.5-kW m-2，遠高於緻密化木材的308±9 s0.5-kW m-2。並且BN緻密化木材的tig更長，臨界熱流（qcrit）和TRP更高，具有顯著提高的阻燃性。通過計算髮現，在50 kW m-2的外部熱通量下，BN緻密化木材的tig為92 s，是大多數報導的在該熱通量下木材樣品的2.3倍以上（圖4c）。圖4d比較了緻密化木材和BN緻密化木材的著火性能。BN緻密化木材的著火點（Tig）為381℃，比緻密化木材高了41℃。最後，作者通過研究發現是由於h-BN塗層具有高度各向異性導熱性能，使得BN緻密化木材具有前面所述差的可燃性和優異的阻燃性能（圖5）。 ... 圖4、緻密化木材和BN緻密化木材的阻燃性 ... 圖5、BN緻密化木材的高度各向異性的熱性能證明 【小結】 綜上所述，作者通過一種簡單而有效的塗覆方法製備了一種超強且抗磨的BN緻密化木材。得益於h-BN的各向異性導熱性，BN緻密化木材沿平面內方向表現出出色的熱擴散率，並在貫穿平面方向上表現出有效的熱阻隔。BN緻密化木材的著火溫度（Tig）提高了41℃，著火延遲時間（tig）增長了兩倍，最大HRR降低了25％，表明整體上提高了HRR。同時，BN緻密化木材還具有優異的機械性能，高達471.5 MPa的高抗拉強度和362 MPa cm3 g-1的特殊抗拉強度，表明了這些傳統結構材料的超強和輕質替代品。總之，該工作表明各向異性的導熱h-BN阻燃塗料不僅增強了木材的抗磨損性，而且還保持了通過緻密化作用賦予材料的高強度。這表明有希望開發出高性能的結構材料以滿足現代建築中的高機械強度和良好的頻率安全性。 文獻連結： Fire-Resistant Structural Material Enabled by an Anisotropic Thermally Conductive Hexagonal Boron Nitride Coating . Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201909196. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201909196?af=R 高分子科學前沿建立了「生物質」等交流群，添加小編為好友（微信號：polymer-xiang，請備註：名字-單位-職稱-研究方向），邀請入群。 來源：高分子科學前沿 聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！ ---納米纖維素找北方世紀--- ---粘度計/流變儀找中昊清遠--- ... 微信加群： 「高分子科學前沿」匯集了20萬高分子領域的專家學者、研究/研發人員。我們組建了80餘個綜合交流群（包括：教師群、企業高管群、碩士博士群、北美、歐洲等），專業交流群（塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表征技術、車用高分子、發泡、聚醯亞胺、抗菌、仿生、腫瘤治療）。 添加 小編 微信（務必備註：名字-單位-職稱-研究方向） 我們的微博：高分子科學前沿，歡迎和我們互動。 我們的QQ交流群：451749996（務必備註：名字-單位-研究方向） 投稿 薦稿 合作：editor@polysci.cn
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