從遠古時代到今天，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)保特性而對碳足跡產(chǎn)生了積極的貢獻。盡管具有這些特性，但由于其高火災(zāi)風(fēng)險，木材在現(xiàn)代建筑行業(yè)仍面臨挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代社會對滅火系統(tǒng)的改進，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)材料的延遲時間成為進一步改善現(xiàn)代建筑消防安全問題的一個有希望的方向。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道。

阻燃劑通過化學(xué)反應(yīng)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。在木材中添加阻燃劑可以提高材料的耐火性，而不會犧牲木質(zhì)材料的內(nèi)在優(yōu)勢。盡管鹵素和磷有機阻燃劑可以**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)險仍然存在問題。相反，無機阻燃劑更綠色，更適合可持續(xù)應(yīng)用。大多數(shù)無機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)的無機阻燃劑通常在改善點火性能方面效果有限。理想地，用于防火木材的無機阻燃劑應(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，從而提高點火性能。

美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授提出了一種簡單而可擴展的方法，通過將致密化處理與厚度為30 μm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**地增強木材的阻燃性能，因為它在暴露于火焰時會自動形成木炭層，從而起到**的隔熱和隔氧作用。此外，與其他無機阻燃納米材料不同，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，還可以增強點火性能。如文獻報道，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，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)。與文獻中報道的其他阻燃木質(zhì)材料相比，BN致密化木材顯示出很長的點火延遲時間和更高的拉伸強度之一。阻燃的BN致密木材滿足大規(guī)模生產(chǎn)，高機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。

在這個工作中，作者通過一種簡單而**的涂覆方法展示了一種超強且耐火的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**氧氣擴散和暴露于熱時釋放的可燃揮發(fā)物提供了**的保護屏障。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（T_ig）提高了41^oC，著火延遲時間（t_ig）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，BN致密化木材還顯示出**的機械性能，高達471.5 MPa的高抗拉強度和362 Mpa·cm³/g的特殊抗拉強度，表明了這些傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的超強輕質(zhì)替代品。這項工作表明，各向異性導(dǎo)熱h-BN阻燃涂料不僅增強了木材的耐火性，而且還保持了致密化賦予材料的高強度，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.