分子篩對(duì)聚磷酸銨處理?xiàng)钅疚鼭裥耘c阻燃性能的影響

王曉蒙 王明枝 李 黎

(北京林業(yè)大學(xué)木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

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分子篩對(duì)聚磷酸銨處理?xiàng)钅疚鼭裥耘c阻燃性能的影響

王曉蒙 王明枝 李 黎

(北京林業(yè)大學(xué)木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

在不同處理?xiàng)l件下，進(jìn)行分子篩(4A型與13X型)對(duì)木材阻燃劑聚磷酸銨(APP)處理試件的載藥量、吸濕性、氧指數(shù)的影響試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著APP濃度的升高，處理材的載藥量、吸濕率與氧指數(shù)均呈上升趨勢(shì)；分子篩在增大木材載藥量的同時(shí)可降低其吸濕率；20%的APP與2%的4A分子篩復(fù)配溶液處理?xiàng)钅締伟宓妮d藥量最高，為51.11 kg/m3；2種分子篩使木材的吸濕率降低了14%～18%；濃度為15%的APP處理木材的氧指數(shù)為48.7%，加入2%的4A或13X分子篩后，楊木單板的氧指數(shù)分別為41.5%與46.7%，均達(dá)到難燃B1級(jí)材料的氧指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

楊木；聚磷酸銨；分子篩；吸濕性；氧指數(shù)

木材是一種可再生的綠色環(huán)保材料，因其具有良好的視覺(jué)、觸覺(jué)、調(diào)溫調(diào)濕等特性而被廣泛應(yīng)用于建筑、裝飾等領(lǐng)域[1]。但是木材固有的易燃性給人類帶來(lái)安全隱患的同時(shí)，也限制了其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。因此，對(duì)木質(zhì)材料的阻燃處理具有重要的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。

聚磷酸銨是目前常用的木材阻燃劑，因其具有阻燃效果明顯、污染少且價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于木材以及其他纖維素類可燃材料的阻燃處理[4]。該類阻燃劑自身的結(jié)構(gòu)及組成決定了其具有水溶性的同時(shí)也具有一定的吸濕性。隨著處理材含水率的增大,無(wú)機(jī)物阻燃劑會(huì)吸收水分而溶解并逐漸流失,縮短自身的使用壽命。阻燃處理后木材的載藥量越高，阻燃的有效成分越多，阻燃效果越好[5]。但木材的吸濕性對(duì)載藥量有很大影響，尤其對(duì)水基型木材阻燃劑本身使用壽命以及阻燃處理材后期加工性能、使用性能均有不利影響[6-8]。

分子篩是由SiO2和Al2O3四面體通過(guò)氧橋連接而成的晶體硅鋁酸鹽，具備的孔徑可吸附聚合物中的小分子，防止低聚物遷移到木材表面，減少其對(duì)吸濕性的影響[9-10]。本試驗(yàn)以聚磷酸銨為阻燃劑，選用不同阻燃劑濃度與分子篩類型(4A型與13X型)，研究不同處理?xiàng)l件對(duì)楊木載藥量、吸濕率及氧指數(shù)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

楊木(Populusspp.)單板，厚度2.5 mm，含水率6%～8%。聚磷酸銨(APP)，購(gòu)于北京市津同樂(lè)泰化工產(chǎn)品有限公司。分子篩(4A型與13X型)，購(gòu)于上海久宙化工產(chǎn)品有限公司。

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、恒溫恒濕箱、分析天平、氧指數(shù)測(cè)試儀。

1.2 阻燃劑溶液配制

阻燃劑溶液配方見(jiàn)表1。

表1 阻燃劑配方

根據(jù)表1中的比例進(jìn)行阻燃劑溶液的配制。在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E84《建筑材料表面燃燒性能的測(cè)定方法》中，規(guī)定木材阻燃劑載藥量≥50 kg/m3，但我國(guó)沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通常也要求載藥量≥30 kg/m3[11]。根據(jù)1～5組前期試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)APP濃度為15%與20%時(shí)，楊木單板載藥量均達(dá)到 30 kg/m3以上，因此，將2%的分子篩加入APP濃度為15%和20%的溶液中進(jìn)行復(fù)配。

1.3 試驗(yàn)方法

按ASTM D3201-2003的測(cè)試要求[12]，載藥量與吸濕性試驗(yàn)試件尺寸均為120 mm×120 mm，取質(zhì)量恒定的楊木單板試件，在常溫常壓下將其浸漬在配置好的阻燃劑溶液中。每組取8塊試件做平行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)上方放置重物，防止浸漬時(shí)試件漂浮，浸漬時(shí)間為3 h。

1.4 載藥量計(jì)算

按ASTM D3201-2003的測(cè)驗(yàn)要求[12]，將已經(jīng)浸漬處理的試件置于溫度(25±2)℃、相對(duì)濕度30%～65%的環(huán)境中放置7 d，稱其質(zhì)量，計(jì)算載藥量。

式中：M為載藥量，kg/m3；M1為浸漬前試件質(zhì)量恒定后的質(zhì)量，kg；M2為浸漬后試件質(zhì)量恒定后的質(zhì)量，kg；V為試件體積，m3。

1.5 吸濕性計(jì)算

按ASTMD3201-2003的測(cè)試要求，將浸漬后的試件置于溫度(27±2)℃、相對(duì)濕度(92±2)%的環(huán)境中放置7d，稱其質(zhì)量；之后將試件在溫度(103±2)℃的烘箱中烘至恒質(zhì)量，計(jì)算木材的吸濕率、吸濕比。

式中：W為吸濕率，%；M3為吸濕后試件的質(zhì)量，g；M4為吸濕后烘至絕干試件的質(zhì)量，g。

式中：R為吸濕比；W為阻燃處理后試件的吸濕率，%；W0為空白試件的吸濕率，%。

1.6 氧指數(shù)計(jì)算

氧指數(shù)試件尺寸為150.0mm×10.0mm× 2.5mm，浸漬處理工藝與1.4相同。根據(jù)GB2406—2009《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法：氧指數(shù)法》[13]，測(cè)試夾夾住木材試件的下端，從試件的寬面上距點(diǎn)火端50mm處劃一標(biāo)線。將試樣垂直固定在燃燒筒中，使氧氮混合氣流由下向上流過(guò)，用點(diǎn)火器點(diǎn)燃試樣頂端，同時(shí)記時(shí)和觀察試樣燃燒長(zhǎng)度，與所規(guī)定的數(shù)據(jù)相比較。

試件燃燒時(shí)間規(guī)定為3min。當(dāng)試樣的燃燒時(shí)間超過(guò)3min或火焰前沿超過(guò)標(biāo)線時(shí)，降低氧濃度；試件的燃燒時(shí)間不足3min或火焰前沿不到標(biāo)線時(shí)，則增加氧濃度。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，測(cè)定試件氧指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

阻燃處理?xiàng)钅締伟宓妮d藥量、吸濕性與吸濕比測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 阻燃處理?xiàng)钅締伟宓妮d藥量、吸濕性與吸濕比

2.1 載藥量

2.2 吸濕性

木材的吸濕性會(huì)影響木材的裝飾性能和阻燃性能。由表2可知，隨著APP濃度的升高，楊木單板的吸濕率與吸濕比均呈上升趨勢(shì)。未經(jīng)處理的楊木單板吸濕率為22.12%，經(jīng)20%的APP處理后單板的吸濕率為45.24%，吸濕比為2.05。這是因?yàn)锳PP中的氨基有較大的極性能，可與水分子形成分子間氫鍵，在水中的溶解度較大，造成木材的吸濕性也較大[6-8]。

APP濃度為15%時(shí)，載藥量為34.44 kg/m3，楊木單板的吸濕比為1.73，加入分子篩后，載藥量增加至43.33 kg/m3與42.50 kg/m3，但吸濕比分別降低至1.44與1.48。APP濃度為20%時(shí)，分子篩的加入同樣使木材的吸濕比降低了15%與18%。說(shuō)明分子篩對(duì)降低阻燃木材的吸濕性有很好的效果。這是因?yàn)榉肿雍Y具備的孔徑可吸附聚合物中的小分子，防止氨基等小分子遷移到木材表面，減少其對(duì)吸濕性的影響。

2.3 氧指數(shù)

為了測(cè)試分子篩對(duì)木材阻燃性能的影響，對(duì)不同處理的楊木單板進(jìn)行氧指數(shù)測(cè)試。從表2可以看出：試件氧指數(shù)隨載藥量的提高呈增加趨勢(shì)。15%的APP處理木材后，木材的載藥量為34.44 kg/m3，氧指數(shù)為48.7%；加入2%的4A或13X分子篩后，木材的載藥量提高至43.33 kg/m3與42.5 kg/m3，但氧指數(shù)分別下降到41.5%與46.7%。載藥量增加但氧指數(shù)降低的原因，可能是一部分分子篩吸附了APP中的氨基等小分子，改變了木材吸附阻燃劑的成分比例。

分子篩的加入在提高試件載藥量的同時(shí)降低了吸濕性，雖然APP濃度為15%與20%的阻燃劑溶液中加入分子篩后，氧指數(shù)略有下降，但楊木單板的氧指數(shù)均能達(dá)到難燃B1級(jí)材料的標(biāo)準(zhǔn)。因此，分子篩可用于木材阻燃。

3 結(jié) 論

1) 楊木單板的載藥量隨著APP濃度的升高而增加。APP濃度為15%和20%時(shí)，試件的載藥量分別為34.44 kg/m3和43.06 kg/m3，均達(dá)到我國(guó)通常要求≥30 kg/m3的有效載藥量。APP溶液中加入4A或13X分子篩均可提高楊木單板的載藥量，在APP濃度為20%的溶液中加入2%的4A分子篩，楊木單板的載藥量達(dá)到最高值(51.11 kg/m3)，達(dá)到美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E84要求。

2) 楊木單板的吸濕率與吸濕比均隨著APP濃度的升高而增大，20%的APP處理?xiàng)钅締伟宓奈鼭癖茸畲?，?.05。在APP溶液中加入2%的4A或13X分子篩使楊木單板的吸濕率降低了14%～17%。

3) 楊木單板的氧指數(shù)隨APP濃度的升高呈增加趨勢(shì)。阻燃劑溶液中加入分子篩后，試件的氧指數(shù)略有下降。APP濃度≥10%時(shí)，楊木單板的氧指數(shù)均能達(dá)到難燃B1級(jí)材料的氧指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 李堅(jiān)．木材的阻燃處理[J]．中國(guó)木材，1991，12(5)：36-39．

[2] 王清文．木材阻燃工藝學(xué)原理[M]．哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2000．

[3] 歐育湘，李建軍．阻燃劑:性能、制造及應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

[4] 鮑治宇，董延茂．膨脹阻燃技術(shù)及應(yīng)用[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005．

[5] 蔣明亮，劉秀英．FR-1阻燃處理材的吸濕性與野外耐腐性[J]．木材工業(yè)，2002，16(4)：18-19．

[6] 趙大偉，徐忠勇，蒲黃彪，等．石蠟乳液浸漬云南松的燃燒性能及吸濕吸水性研究[J]．西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(3)：95-99．

[7] 張新立，朱春玲，李引擎．水基型阻燃處理劑吸濕性能的研究[J]．消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，1998(2)：26, 28-29, 27．

[8] 孫瑩瑩，程康華．三乙醇胺對(duì)木材阻燃劑的阻燃效果和吸濕性的影響[J]．林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2012，32(2)：145-148．

[9] 王明枝，孫文婧，姬海平，等．4A分子篩對(duì)阻燃膠合板性能的影響研究[J]．木材加工機(jī)械，2012，34(3)：14-16．

(責(zé)任編輯 曹 龍)

Effect of Zeolite on the Hygroscopicity and Fire Retardant Properties of Poplar Wood Treated with APP

WANG Xiao-meng, WANG Ming-zhi, LI Li

(MOE Key Laboratory of Wooden Material Science and Application, Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

This paper, retardant concentration and zeolite type (4A type and 13X type) were selected as variable to study the effects of different treatment on drug loading, moisture absorption rate and oxygen index. Results showed that the drug loading, moisture absorption rate and oxygen index increased with the increase concentration of APP. Zeolite could reduce the moisture absorption rate of the treated samples, together increase the drug loading. After treated by compound solution of 20% APP and 2% zeolite (4A type), the drug loading of poplar veneer reached maximum, with the value of 51.11 kg/m3. Two zeolite types made moisture absorption rate reduced by 14%-18%. The oxygen index reached 48.7% when it was treated with 15% of APP solution, and the oxygen index decreased to 41.5% and 46.7% when 2% of 4A or 13X zeolite were added into the 15% of APP solution, which reached B1 grade of flame retardant material standard.

Poplar; ammonium polyphosphate; zeolite; moisture absorption rate; oxygen index

2014-08-15

國(guó)家林業(yè)公益性科研項(xiàng)目(201204704)資助。

王明枝(1979—)，女，博士，講師。研究方向：木材保護(hù)與改性。Email：wmingzhi@bjfu.edu.cn。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.01.016

S781.7

A

2095-1914(2015)01-0082-04

第1作者：王曉蒙(1990—)，女，碩士生。研究方向：木材改性。Email：1003995201@qq.com。