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Feuerfeste Strukturmaterialien mit hexagonaler Bornitridbeschichtung mit anisotroper Wärmeleitung

Apr 01, 2020

Von der Antike bis heute wurde Holz verwendet, um Brücken, Häuser, Türme, Möbel und andere Strukturen zu bauen. Im Vergleich zum Herstellungsprozess von Stahl, Beton und anderen Baustoffen reduziert die Holzverarbeitung nicht nur den Energieverbrauch, sondern trägt aufgrund ihrer Umwelt- und Umwelteigenschaften auch positiv zum CO2-Fußabdruck bei. Trotz dieser Eigenschaften steht Holz in der modernen Bauindustrie aufgrund seiner hohen Brandgefahr immer noch vor Herausforderungen. Mit der Verbesserung des Brandbekämpfungssystems in der modernen Gesellschaft wurde die schnelle und effektive Fähigkeit zur Brandbekämpfung erheblich verbessert. Der Anstieg der Brandtemperatur und die Verzögerungszeit von Baustoffen werden zu einer vielversprechenden Richtung, um den Brandschutz moderner Gebäude weiter zu verbessern. Obwohl sich die meisten früheren Studien auf die Verringerung der Wärmefreisetzungsrate (HRR) von Holz während der Verbrennung konzentrierten, gibt es nur wenige wirksame Methoden, um die Holzzündung zu verzögern.

Flammschutzmittel stören den Verbrennungsprozess während der Zündung, Pyrolyse oder Flammenausbreitung durch chemische Reaktionen oder wirken als physikalische Barrieren. Das Hinzufügen eines Flammschutzmittels zu Holz kann die Feuerbeständigkeit des Materials verbessern, ohne die inhärenten Vorteile von Holzmaterialien zu beeinträchtigen. Obwohl organische Flammschutzmittel aus Halogen und Phosphor die HRR wirksam reduzieren und die Feuerbeständigkeit von Holz verbessern können, bestehen immer noch Umweltrisiken, die durch giftige Halogenprodukte verursacht werden. Im Gegenteil, anorganisches Flammschutzmittel ist umweltfreundlicher und für eine nachhaltige Anwendung besser geeignet. Die meisten anorganischen Flammschutzmittel haben ausgezeichnete Luftblockierungsfunktionen, einschließlich Ton, Ton-Nanopapier, Siliciumdioxid, Titandioxid, Calciumcarbonat und Magnesiumaluminiumhydroxid. Sie reduzieren die HRR von Holz, indem sie seine Oberfläche isolieren und seine thermische Zersetzung verzögern. Die herkömmlichen anorganischen Flammschutzmittel haben jedoch aufgrund ihres isotropen Wärmeflusses in der Nähe des Feuers normalerweise nur eine begrenzte Wirkung auf die Verbesserung der Zündleistung. Idealerweise sollte das für feuerfestes Holz verwendete anorganische Flammschutzmittel eine höhere Wärmeleitfähigkeit in der Ebene der Beschichtung und eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit in der Richtung senkrecht zur Ebene aufweisen, um die Spitzentemperatur des Holzes zu verringern und die Zündleistung zu verbessern.

Einführung der Ergebnisse

Professor Hu Liangbing schlug eine einfache und erweiterbare Methode zur Bildung von Holz vor, indem die Verdichtung mit einer nanogeschichteten hexagonalen Bornitrid (h-BN) -Beschichtung mit einer Dicke von 30 & mgr ; m kombiniert wurde, um das sogenannte BN-verdichtete Holz zu bilden , wodurch das Holz verbessert wurde Feuerbeständigkeit von Holz. Die Verdichtung hat sich als wirksames Mittel zur Verbesserung der Feuerbeständigkeit von Holz erwiesen, da es bei Flammeneinwirkung automatisch eine Holzkohlenschicht bilden kann und somit eine wirksame Rolle bei der Wärme- und Sauerstoffdämmung spielt. Darüber hinaus ist bekannt, dass 2D-h-BN-Platten im Gegensatz zu anderen anorganischen flammhemmenden Nanomaterialien eine Schichtstruktur mit anisotropen thermischen Eigenschaften bilden, die eine gute Dimensionsstabilität, ideale Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweist. Im Brandschutz ist es nicht nur attraktiv, die HRR zu reduzieren, sondern auch die Zündleistung zu verbessern. Wie in der Literatur berichtet, beträgt die Wärmeleitfähigkeit von h-BN in der Ebene 390 und in der Durchgangsebene 2 w / M / K. Aufgrund der anisotropen Wärmeleitfähigkeit von h-BN kann BN-verdichtetes Holz die einfallende Wärme effektiv entlang der Holzoberfläche übertragen und die vertikale Wärmeleitung tragen. Gleichzeitig kann die nanobeschichtete h-BN-Beschichtung als physikalische Barriere für Sauerstoff und flüchtige Stoffe verwendet werden, wodurch die exotherme Reaktion verlangsamt wird. Infolgedessen wurde die Brenngeschwindigkeit von BN-dichtem Holz stark verringert. Darüber hinaus ist das Beschichtungsverfahren einfach und dehnbar, wodurch eine Sandwichstruktur für BN-dichtes Holz mit einer Länge von mehr als 25 cm und einer Breite von mehr als 15 cm erzeugt werden kann. Im Vergleich zu anderen in der Literatur angegebenen feuerhemmenden Holzmaterialien weist BN-verdichtetes Holz eine der längsten Zündverzögerungszeit und die höchste Zugfestigkeit auf. Flammhemmendes BN-Dichtholz erfüllt die Anforderungen einer großtechnischen Produktion, hoher mechanischer Eigenschaften und eines guten Brandschutzes.

Abbildung 1. Schematische Darstellung zeigt das Funktionsprinzip von BN-dichtem Holz mit höherer Feuerbeständigkeit und höheren mechanischen Eigenschaften

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a) Schematische Darstellung der Wärmeleitfähigkeit und Isolierung von BN-dichtem Holz

b) Skalierbares BN-Dichtholz, hergestellt im Labor

c) Die Zugfestigkeit und die Zündverzögerungszeit von BN-dichtem Holz wurden mit den an anderer Stelle angegebenen Ergebnissen von feuerfestem Holz verglichen

Figure 2. Morphologie und Mikrostruktur von dichtem Holz und BN-dichtem Holz

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a) Fotos von dichtem Holz und BN dichtem Holz

b) REM-Aufnahmen von dichtem Holz zeigen eine stark komprimierte Struktur und vollständig kollabierte Zellwände

c) BN-dichtes Holz wird senkrecht zur Wachstumsrichtung geschnitten, um zu zeigen, dass h-BN nur die Oberfläche von dichtem Holz bedeckt, während die innere dichte Holzstruktur erhalten bleibt

d) Das REM-Bild zeigt die dichte Holzstruktur von BN-dichtem Holz

e) Das REM-Bild des BN-dichten Holzquerschnitts zeigt, dass die Dicke der h-BN-Schicht 30 & mgr; M beträgt

f) Die Schnitt-REM-Bilder zeigen die Schichtstruktur der h-BN-Beschichtung

g) Die REM-Draufsicht auf BN-verdichtetes Holz zeigt die Verteilung von h-BN auf der Oberfläche von verdichtetem Holz

h) TEM-Bild und SAED-Muster von h-BN auf der Oberfläche von BN

Abbildung 3. Entflammbarkeitstest von dichtem Holz und BN-dichtem Holz 微信图片_20200401144120

a) Brennverhalten von dichtem Holz in Propanflamme für 30 s

b) Das Diagramm zeigt die Formänderung von dichtem Holz nach der Verbrennung

c. D) REM-Aufnahme von dichtem Holz nach der Verbrennung

e) Brennverhalten von BN-dichtem Holz in Propanflamme für 30 s

f) Das Diagramm zeigt die morphologischen Veränderungen von BN-dichtem Holz nach der Verbrennung

G. H) REM-Aufnahmen von BN-dichtem Holz nach der Verbrennung