近年来,木塑复合材料成为木质材料、高分子材料以及生物质复合材料研究领域重要的研究方向之一。但是,木质纤维和聚烯烃塑料的复合使得木塑复合材料不仅可燃,而且燃烧的热释放速率高、热量大,极大的限制了其应用范围,木塑复合材料的阻燃已经成为亟待解决的重大问题。相关研究表明,在制备木塑复合材料的过程中添加阻燃剂可以在一定程度上提高其阻燃性能,然而由此导致的后果是木塑复合材料原有物理力学性能的降低和生产成本的增加。本论文以木质纤维-聚丙烯复合材料(WPPC)为主要研究对象,选用在木材和聚烯烃领域应用广泛的三类阻燃剂(氢氧化镁、聚磷酸铵和膨胀石墨),通过挤出和热压成型制备了单层和多层阻燃WPPC,针对其热降解、阻燃和抑烟性能进行系统研究,主要结果如下：(1)采用调制热重分析仪(MTGA)和热重分析仪(TGA)研究了木质纤维、聚丙烯(PP)及其复合材料的热降解行为,引入数学模型和热动力学方程计算了复合材料的表观活化能和指前因子,探寻其热降解机理。MTGA和TGA实验结果表明,含有氢氧化镁的阻燃WPPC,第一阶段(以木质纤维热降解为主)热降解行为无明显变化,第二阶段(以PP热降解为主)热降解峰值温度升高；而聚磷酸铵或膨胀石墨的加入降低了复合材料第一阶段的热降解起始温度,促进了木质纤维的热解,升高了第二阶段热降解峰值温度,抑制了PP的热解；添加少量的马来酸酐接枝聚丙烯和润滑剂几乎不影响WPPC的热降解行为。采用MTGA和TGA的方法得出的WPPC表观活化能数值如下：第一阶段表观活化能介于161-178 kJ mol-1之间,第二阶段表观活化能介于234-305 kJ mol-1之间。此外,拟合得出木质纤维在转化率小于0.8时的热降解机理为三维扩散(Ginstling-Brounshtein方程),阻燃WPPC第一阶段的热降解机理与木质纤维一致；拟合得出PP及其在WPPC中的热降解属于界相反应机理,在WPPC热降解第二阶段,阻燃剂的加入使其热降解转变为成核与生长机理,但氢氧化镁或聚磷酸铵阻燃WPPC遵循Avrami方程2,膨胀石墨遵循Avrami方程1。(2)鉴于前一部分的研究结果,对三种阻燃剂进行复配,考察阻燃剂之间相互作用对WPPC热降解行为的影响。同时,探讨了不同气氛下,阻燃WPPC热降解行为的差异。在氮气气氛下,氢氧化镁和聚磷酸铵的复配降低了WPPC中木质纤维的热降解速率和氢氧化镁自身的热降解温度；氢氧化镁和聚磷酸铵的复配没能进一步提高PP的热稳定性。而膨胀石墨和聚磷酸铵的复配进一步降低了木质纤维的热降解起始温度,并极大的提高了PP的热降解峰值温度,对促进木质纤维提前降解和抑制PP热降解产生了协同效应。此外,膨胀石墨和聚磷酸铵的复配降低了WPPC热降解初期的表观活化能,提高了WPPC在热降解过程中的表观活化能。其热降解第一阶段表观活化能的值在163-253 kJ mol-1范围内,热降解第二阶段的表观活化能的值在223-254 kJ mol-1范围内。在空气气氛下,氢氧化镁和聚磷酸铵的复配提高了复合材料第一阶段的热降解峰值温度,促使木质纤维大量成炭；炭的积累提高了WPPC第二阶段热降解起始温度,减缓了PP的热降解和燃烧,但其作用效果不如单独添加聚磷酸铵阻燃剂。而膨胀石墨和聚磷酸铵的复配降低了复合材料第一阶段的热降解初始温度,但使第一阶段热降解速率峰值向高温移动,并显著提高了WPPC热降解第二阶段的热稳定性,使其延缓分解和燃烧,对抑制木质纤维和PP的燃烧同样产生了协同效应。此外,膨胀石墨和聚磷酸铵的复配显著提高了复合材料热降解第一阶段的表观活化能,但其在热降解第二阶段的表观活化能介于单独添加膨胀石墨和聚磷酸铵之间。其热降解第一阶段表观活化能的值在120-280 kJ mol-1之间,热降解第二阶段表观活化能的值在205-258 kJ mol-1范围内。(3)采用锥形量热仪(CONE)、扫描电镜(SEM)和力学试验等方法对阻燃WPPC的阻燃、弯曲和吸水性能进行了表征,分析了三种阻燃剂的作用机理。WPPC的热释放随着阻燃剂用量的增加而降低,聚磷酸铵的加入显著提高了复合材料的烟释放,膨胀石墨表现出最佳的阻燃和抑烟性能,但其弯曲强度和弯曲模量也显著降低。氢氧化镁和聚磷酸铵提高了复合材料的吸水率和吸水厚度膨胀率,而膨胀石墨降低了复合材料的吸水率和吸水厚度膨胀率。SEM观察发现,含有氢氧化镁的WPPC形成了多孔的、珊瑚形网状炭层,聚磷酸铵的添加使WPPC的炭层变得连续和紧致,而膨胀石墨促使WPPC形成多孔的蠕虫状炭层。三种阻燃剂的阻燃机理可以分别归纳为：(a)氢氧化镁：受热分解时吸收大量热而抑制复合材料温度升高,从而减缓材料热分解,此外,阻燃剂分解产生的气态产物水蒸气对空气中氧气的稀释作用有助于抑制挥发分燃烧,凝聚态产物氧化镁对热辐射的阻隔作用有助于抑制材料热分解,对阻止燃烧的进行有重要作用；(b)聚磷酸铵：受热分解后生成聚磷酸,促使复合材料组分尤其是木质纤维脱水、聚合、芳构化并进一步炭化,起到隔绝热量的作用,阻滞复合材料的燃烧。其次,由于含有氮元素,聚磷酸铵受热分解释放出氮气及氨气等难燃气体,起到稀释空气中的氧气的作用；(c)膨胀石墨：酸性的膨胀石墨先促使木质纤维在低温下快速脱水成炭,而当其本身受热到一定程度后开始膨胀,形成一个很厚的多孔炭化层,该热稳定性较强的炭化层可以把基体和热源隔开,从而延缓和终止复合材料的燃烧。同时,其本身受热时不产生有毒和腐蚀性气体,且其多孔结构可吸附大量烟气,从而大大降低烟释放量。(4)采用热压复合的方式制备了多层阻燃WPPC,通过CONE测试其热释放,烟释放和残炭质量,并对残炭的形貌、微观结构和微区元素分布进行表征,探讨分层与分散阻燃的差异,找寻适用于分层阻燃的阻燃剂种类,并分析其作用机理。与单层阻燃WPPC相比,双层和三层聚磷酸铵阻燃WPPC的烟释放和热释放均明显增加：三层氢氧化镁阻燃WPPC的热释放速率峰值,总热释放和烟释放均有所降低,且其弯曲强度和弯曲模量有所提高；多层膨胀石墨阻燃WPPC的热释放和烟释放均显著降低,以三层膨胀石墨阻燃WPPC为例,其总热释放和烟释放分别降低了18%和31%,且弯曲强度提高了31%。通过SEM观察发现,其芯层残余物由厚重、连续和紧凑的炭结构组成。为了进一步验证分层阻燃的效果,探讨了膨胀石墨和聚磷酸铵分散和分层阻燃在WPPC上的应用,CONE测试结果表明,分层阻燃(膨胀石墨在表层,聚磷酸铵在底层)在降低WPPC热释放和烟释放上表现出更优异的性能。SEM观察表明,底层残炭中的孤立炭颗粒与炭层融合紧密,形成了连续、完整和致密的炭层结构,元素分析显示其N/C,P/C显著增高。膨胀石墨和聚磷酸铵分层阻燃的作用机理可以解释为,含有膨胀石墨的表层为底层提供了隔热的保护作用,阻止了底层材料的分解和燃烧。同时,含有聚磷酸铵的底层在表层的保护下缓慢受热,使底层积累更多坚固和紧密的炭层,提高整体复合材料的热稳定性,防止其进一步燃烧。此外,由于表层膨胀炭层的吸附作用,底层材料分解产生的挥发性气体被大量吸收,进而降低了整体复合材料的烟释放量。