三嗪基木材改性剂的合成及其对橡胶木的改性研究

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橡胶木是常见的人工速生材,易吸水形变、易燃烧,较难直接应用于家具、工艺品等高附加值产品,添加木材改性剂可有效拓展橡胶木的应用范围。目前,市场上广泛应用的木材改性剂主要以单一性能的改性剂为主,但单一性能的木材改性剂已经不能满足人们的需求。本研究以三聚氯氰为母体,设计合成两种多效木材改性剂:2-己胺基-4-(3-三乙氧基硅烷基-丙基)胺基-6-(2-磺基-乙基)胺基-1,3,5-均三嗪(HAAT)、2-己胺基-4-(2-磺基-乙基)胺基-6-氯-1,3,5-均三嗪(HACT)。通过MS、1H NMR和FT-IR对其进行结构鉴定,最终HAAT产率为73%,HACT产率为90%。通过真空加压浸渍法改性橡胶木,并采用钙皂-高温固化联合固化改性剂,提高了改性剂的抗流失性,使橡胶木具备良好的防水性能与阻燃性能,研究结果表明:(1)使用不同浓度的HAAT、HACT/KH550对橡胶木进行改性处理。随着浸渍浓度的提高橡胶木密度、载药率也随之提高,且改性剂在木材内部分布均匀,其中载药率最高分别可达14.05%、15.23%。(2)随着浸渍浓度的提高,橡胶木的防水性能显著提高,浸渍浓度为15wt%时效果最佳。与素材相比,15wt%HAAT改性后的橡胶木表面无明显变化,接触角由0°提高至59°,吸水率由99.74%降低至58.15%,吸湿率由19.24%降低至12.91%,气干干缩率由11.40%降低至6.03%;15wt%HACT/KH550改性后的橡胶木接触角为53°,吸水率为58.75%,吸湿率为12.27%,气干干缩率为7.14%。研究结果表明HAAT改性材的防水性能优于HACT/KH550改性材。(3)通过临界氧指数仪与锥形量热仪(CONE)测试改性材的阻燃性能。结果表明随着浸渍浓度的提高,橡胶木的阻燃性能显著提高,浸渍浓度为15wt%时效果最佳。与素材相比,15wt%HAAT改性后的橡胶木极限氧指数(LOI)由24.1%提高至34.4%,热释放速率第二峰值(pk-HRR2)降低67.48%,烟释放总量(TSP)降低9.22%,残炭(Mass)提高109.08%;15wt%HACT/KH550改性后的橡胶木LOI为36.2%,pk-HRR2降低73.16%,TSP降低17.21%,Mass提高99.83%。结果表明HAAT、HACT/KH550具有良好的成炭抑烟效果,且阻燃效果相当。使用拉曼光谱对橡胶木燃烧后的残炭进行分析,结果表明,改性后橡胶木残炭石墨化程度显著提高,且HAAT改性效果优于HAAT/KH550,与CONE测试结果一致。进一步使用扫描电子显微镜-X射线能谱联用(SEM-EDS)对HAAT改性材残炭进行分析,发现HAAT改性后橡胶木在燃烧过程中形成了连续致密的炭层结构,与素材相比更加稳定。使用Coats-Redfern法研究了HAAT改性材的热解失重动力学,研究发现HAAT在燃烧过程中可促进木材热解成炭,具有良好的凝聚相阻燃作用。研究表明HAAT与HACT/KH550均可赋予橡胶木良好的防水与阻燃性能,但HAAT改性效果略优于HACT/KH550。
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