【摘 要】
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植酸(PA)是一种绿色环保的生物质有机酸,它在对木材的应用上表现出了优异的阻燃性能。然而,植酸改性木材存在燃烧时发烟量大、力学性能差的缺点。此外,植酸易溶于水,分子上含有大量的羟基,处理木材后会增加木材的吸湿性,且易流失于环境介质中。这将不利于植酸改性材的应用。针对以上问题,本研究采用植酸和硅溶胶两者复合改性木材,采用真空-加压浸渍法和凝胶法在木材内部构建PA/Si O2交联网络结构,在提高改性材
【基金项目】
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北京林业大学中央高校基本科研业务费中长期项目(2015ZCQ-CL-01); 北京林业大学科技创新计划项目(2018ZY04);
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植酸(PA)是一种绿色环保的生物质有机酸,它在对木材的应用上表现出了优异的阻燃性能。然而,植酸改性木材存在燃烧时发烟量大、力学性能差的缺点。此外,植酸易溶于水,分子上含有大量的羟基,处理木材后会增加木材的吸湿性,且易流失于环境介质中。这将不利于植酸改性材的应用。针对以上问题,本研究采用植酸和硅溶胶两者复合改性木材,采用真空-加压浸渍法和凝胶法在木材内部构建PA/Si O2交联网络结构,在提高改性材阻燃抑烟性能的同时,降低其吸湿性,并改善其抗流失性能与力学性能。研究探讨了植酸-硅溶胶复合改性体系的形貌与特征,表征了改性材的形貌与改性剂的分布,分析了复合改性木材的反应模式;考察了改性材的燃烧性能,并探究了改性体系的阻燃抑烟作用机制;探查了改性材的吸湿性、抗流失性与力学性能等。主要结论如下:(1)植酸-硅溶胶改性溶液显酸性,平均粒径约35 nm,粒径分布均匀。PA与Si O2通过凝胶反应形成了无定形的网络结构,PA被限制在内部。(2)在植酸-硅溶胶复合改性木材中,PA与Si O2在细胞腔内壁上发生凝胶反应,PA/Si O2凝胶网络的交联程度随Si O2掺入量增加而增大。复合改性材的增重率为24.99%-66.85%,增容率为7.51%-8.28%。(3)对木材进行植酸-硅溶胶复合改性,能显著提高木材的阻燃性能。复合改性材的极性氧指数(LOI)值在46.3%以上,是素材的两倍左右,较植酸单独改性材提高了约21.6%。此外,复合改性材的烟产量相比于植酸单独改性材明显降低,并随Si O2掺入量增加而减小。热重分析结果显示,Si O2和PA/Si O2凝胶的存在阻碍了木材组分的降解,使木材的热稳定性显著增强。磷元素与硅元素具有协同阻燃和抑烟作用。磷元素促进木材组分脱水成炭,硅元素在木材内起到屏蔽热量和阻碍物质(可燃气体、烟气)传递与交换的作用。(4)引入硅凝胶复合体系可在一定程度上改善植酸易吸湿和流失的问题。复合改性材的吸湿率较植酸单独改性材减小了7.3%-14.4%,ASE值达到了23%以上。Si O2掺入量为25%时,W-P+25S组的流失率较W-P组降低了23.4%。(5)植酸改性降低了木材的抗压强度,密度低的植酸单独改性材顺纹抗压强度降低更明显。引入硅凝胶复合体系能够减小植酸处理对木材抗压性能与弦切面表面硬度的影响,复合改性材的抗弯强度与横切面表面硬度仍需进一步的提高。
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