木材易燃,阻燃木材在火灾环境中形成的表面炭化层对于阻止火焰蔓延、保护木材结构强度具有关键作用。对木材阻燃过程中的催化成炭反应及其阻燃抑烟机制进行深入研究,是设计研究木材高效阻燃技术体系和减少火灾损失的前提和基础。论文以现代催化反应理论为指导,研究聚磷酸铵以及聚磷酸铵与分子筛、类分子筛和磺化炭等多孔材料对木材的催化成炭、烟气捕集的机制,利用锥形量热仪、TGA、Py-GC-MS、扫描电镜、红外光谱等分析技术研究不同阻燃体系作用下木材的成炭与烟气释放规律,探索分子筛、类分子筛、炭等多孔类物质的组成、结构与吸附捕集与木材烟雾毒气释放的动态关系和催化转化机理。相关研究所获得的主要结论如下:研究了聚磷酸铵APP聚合度对木材成炭作用和阻燃抑烟作用的影响,结果表明低聚合度APP100主要在250℃前失重,与木材的燃点范围(230-290℃)匹配,其降解产物恰好抑制木材的受热分解;催化木材生成紧密的粘稠状Phosphocarbonaceous炭层而高效地隔热隔质。高聚合度APP163、APP201s的起始分解温度都高于300℃,抑制木材热释放的效果低于APP100。但能形成更坚固的炭,且炭层上带有大量耐受高温而不破的气泡,这种成炭能使能产生烟尘的颗粒减少,使其比APP100具有更少的烟气释放。因此,APP的聚合度不同,则APP的起始降解温度、最大失重速率及相应温度不同,导致其热分解历程、产物形成、对木材的成炭能力不同。将不同聚合度的APP复配阻燃能有更好的降低热、烟释放的效果。将金属钴离子与1,2,3-丙烷三羧酸(H3tca)、异烟酸(Hina)配体反应,获得了多孔金属钴-有机配位聚合物[Co5(OH)2(tca)2(ina)2(H2O)2]··4H20(Co5)。多孔金属钴-有机配位聚合物s-APP/Co5与APP阻燃杨木比APP单独阻燃具有更好的效果,1.7%的 Co5 使 s-APP/Co5 比 S-APP 的 THR 减少 18.3%,残炭量增加 7.9%;Py-GC-MS的结果表明s-APP/Cos裂解时含氮杂化类、糖类增加,C02和苯酚类减少,说明APP/Co5使木粉降解为含氮杂化类化合物、糖类化合物后,没有进一步降解为小分子脂肪氧化物和苯酚类,有效抑制了杨木的降解。Co5与APP在阻燃杨木过程中表现了较好的气相阻燃作用或促进气相阻燃的作用。研究了 5A分子筛对木材的成炭阻燃性能。5A分子筛与APP协同阻燃杨木屑板时,5A分子筛的多孔结构和出色的成炭能力使得APP阻燃杨木屑板的烟雾和CO的生成量显著减小。虽然可以降低THR,但5A分子筛抑制热释放的作用不突出,使试样的最高热释放速率峰值PHRR轻微升高。5A分子筛对APP/杨木屑板的阻燃作用主要是促进成炭,与APP作用形成稳定的、能耐受高温的Ca-Al-Si-phosphocarbonaceous炭结构。5A分子筛经过异烟酸改性后,因异烟酸催化APP提前分解,促进更早更快成炭,使s-AP/5AA木屑板具有更低的PHRR、THR、SPR和YCO,形成比s-APP/5A更好的,没有表面裂缝、致密连贯的Ca-Al-Si-phosphocarbonaceous 炭结构。研究了系列硅凝胶体系对木材的成炭阻燃和抑制烟气的作用。不同硅凝胶体系的凝胶颗粒沉积在木材细胞腔和木材细胞间隙,没有改变泡桐的多孔结构及表观特征。单一的硅凝胶浸渍无法减少试样的热释放,但能减缓物质的降解速度,降低烟雾释放速率,减少烟气总量尤其是CO的生成。APP/硅凝胶能高效抑制试样的热释放,有焰燃烧期间的烟气量减小,但使整个实验过程的总烟量增加,这一直是APP阻燃剂需要克服的缺点。Cu、Mn盐掺杂APP硅凝胶使PW-Mn/APP/Gel、PW-Cu/APP/Gel 的 PHRR、THR 等热释放值降幅比 PW-APP/Gel试样的更为显著,其THR仅为7.90 MJ/m2、5.02 MJ/m2,分别比PW-APP/Gel降低了 57.8%、73.2%;其SPR、TSP、YCO也明显低于PW-APP/Gel。结合热重分析和残余物形貌可知,Cu、Mn掺杂APP硅凝胶催化PW-Mn/APP/Gel、PW-Cu/APP/Gel燃烧形成的 Cu(Mn)-Si-phosphocarbonaceous 炭层是一个坚固、绵延的整体,在600-800℃高温区的稳定性优于其他试样。综合而知,不同硅凝胶体系成炭的稳定性顺序为Cu(Mn)-Si-phosphocarbonaceous炭层>Si-phosphocarbonaceous 炭层>Si-carbonaceous 炭层>carbonaceous 炭层。研究了磺化炭的制备工艺及其对木材成炭反应的催化作用和烟气释放机制。将木屑用硫酸催化炭化和磺化反应制备的固体炭材料磺化炭(CSA),其酸量达到2.12 mmol· g-1。用磺化炭阻燃木屑板使PHRR降低39.4%,延后145 s,THR减少20.4%,残炭量增加10%;磺化炭转化烟雾毒气的作用更加显著,其SPR和TSP只有纯木屑板的1/5,有毒气体CO的释放比纯木屑板减少51.9%。Py-GC-MS实验结果表明,CSA可催化木质材料在280℃前的降解,促进形成含氧杂环类、糖类结构多的炭。能谱分析表明,sb-CSA的C/O重量、原子百分比都是所有试样中最大的,且残余物炭层含有0.89wt%的S,说明试样中有更大比例的炭存在,同时证明了磺酸基团在炭骨架上的成功构建及对木材催化成炭的作用。单纯的杨木炭(CS)会延长有焰燃烧时间,不能减少试样的总热释放量,但能抑制烟气的释放和减小CO产量,这可能是杨木炭多孔结构的吸附作用有力减少烟雾的排放。而磺酸基团能催化木材中的羟基化合物发生脱水成酯、成炭,也可受热分解产生SO2、CO2和H2O,这两个因素是磺化炭优于杨木炭更能抑制木材降解减少热量的原因。磺化炭不仅能有效降低木材热量释放,更能高效抑制烟气、CO释放,是一种有前景的环境友好型阻燃剂。磺化炭的制备工艺简单,是开发利用木材加工剩余物的一个新途径。