硅酸钠/硼酸处理增强杨木和辐射松阻燃性能及机理研究

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木材是一种天然可再生材料,与人们的生活密不可分,但其易燃性存在安全隐患,因此对木材进行阻燃处理至关重要。硅酸钠(SS)具有物理覆盖隔热作用,是一种常见的木材阻燃剂。然而SS处理木材存在的一个不足是在木材中缺乏有效的固着,易在潮湿环境中从木材内部析出,从而导致木材的阻燃性能下降。硼酸(BA)具有促进木材脱水成炭、燃烧时抑制烟雾产生、阻燃效率高的优点,广泛应用于木材加工行业,但BA也存在流失性高的问题。针对这些问题,本研究采用SS/BA阻燃体系,使用两步法通过真空加压处理人工速生林杨木和辐射松制备阻燃木材,一方面SS和BA生成的凝胶可以隔绝部分空气和热量,减少流失性;另一方面SS物理覆盖具有隔热作用,BA会促进木材脱水成炭,利用二者的协同作用实现木材的高效阻燃。利用扫描电镜和锥形量热仪等对阻燃木材的微观形貌、阻燃抑烟性能、残炭形貌等进行分析;通过SS/BA阻燃体系对木材的化学组分分别进行处理,并利用傅立叶红外变换光谱仪、X射线衍射仪、热重分析仪探究了其阻燃机理;通过色差分析仪和万能力学试验机对阻燃木材的物理力学性能进行表征。本文的主要研究内容和结果如下:(1)根据SS/BA不同配比对反应形成凝胶的时间和粒径,选取5%SS、10%SS、20%SS分别与5%BA组成阻燃体系,通过两步法真空加压处理制备杨木和辐射松阻燃木材。从阻燃木材的增重率及微观形貌分析得出,阻燃体系能够在木材内部发生反应形成凝胶,填充在木材细胞腔中;SEM-EDX元素分析结果显示Si元素和B元素也均匀分布在木材细胞壁中,表明SS和BA在细胞腔和细胞壁内都有填充;辐射松木材比杨木具有更好的渗透性和耐碱性。(2)利用锥形量热仪对不同SS/BA配比处理剂制备的阻燃木材的燃烧性能进行了检测分析,结果表明:与空白对照组相比,杨木和辐射松阻燃木材的总热释放量分别下降了56.9%和51.5%,总产烟量分别降低了90.9%和84.2%,点燃时间分别延长了20 s和17 s。通过对残炭微观形貌进行分析结果显示,BA高温下熔融形成了氧化硼薄膜附着于细胞腔内壁上,SS高温下以细颗粒形式存在于细胞腔内壁上,而SS/BA在高温下形成一层更厚的保护层附着在细胞腔内壁上从而对木材起到阻隔保护作用。在各种配比处理得到的阻燃木材中,10%SS/5%BA阻燃体系效果最好。(3)为了进一步分析该体系的阻燃机理,采用10%SS、5%BA以及10%SS/5%BA阻燃体系分别对MCC(纤维素模型化合物)、木聚糖(半纤维素模型化合物)以及酶解木质素(木质素模型化合物)、杨木木粉、辐射松木粉进行处理。通过红外光谱、X射线衍射、热重分析了处理前后的性能变化,结果表明:10%SS/5%BA阻燃体系提高了三种模型化合物的残炭率,促进了MCC和木聚糖在低温下的热分解,但对木质素的影响相对较小。BA和SS各自均不能与三种模型化合物发生化学反应,然而BA与SS反应生成的凝胶与木材上C=O发生反应生成Si-O-C。在燃烧过程中,BA主要起到催化成炭作用,而SS则起到物理覆盖协同防护作用。(4)对阻燃剂的物理力学性能进行测试表明:与10%SS和5%BA单独使用相比,10%SS/5%BA处理能够通过在木材内部生成不溶于水的凝胶的形式改善了流失率,作为室内用材的应用有一定意义。BA的加入能够改善单独使用SS时对杨木和辐射松颜色的影响。与空白对照组相比,10%SS/5%BA处理提高了杨木和辐射松的弯曲强度,分别提高了37.5%和35.4%,但使杨木和辐射松的冲击性能分别降低了44.2%和42.5%。
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