Fe、Mn摻雜APP/硅凝膠對(duì)泡桐的阻燃抑煙性能

關(guān)鍵詞：硅凝膠；摻雜；原位構(gòu)建；催化成炭；阻燃抑煙

中圖分類號(hào)：S781.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-923X（2023）12-0197-09

自古以來人們就十分珍愛大自然賦予木材的獨(dú)特美感及其優(yōu)越的材性，并將其廣泛應(yīng)用于建筑、家居等工作和生活環(huán)境中[1-3]。但木材及其制品是具有火災(zāi)隱患的材料，不僅易燃，而且一旦燃燒便釋放大量熱能，加快火災(zāi)傳播速度。近年來，建筑家裝木質(zhì)材料等燃燒而引發(fā)的住宅火災(zāi)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的情況頻發(fā)，因此對(duì)木質(zhì)材料進(jìn)行阻燃處理，以提高木質(zhì)材料的燃燒性能等級(jí)，降低火災(zāi)發(fā)生率刻不容緩[4-8]。

溶膠- 凝膠法（Sol—Gel）具有環(huán)境友好、反應(yīng)條件溫和、工藝流程簡單等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)木材溶膠- 凝膠性能改良已經(jīng)展開了較為深入的研究[9-10]。運(yùn)用溶膠- 凝膠工藝將無機(jī)物分子嵌入木材細(xì)胞微納米空腔，來制備木材- 無機(jī)復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了以二氧化硅等為主成分的氧化物凝膠填充進(jìn)入木材的空隙中[11-12]。這既沒有改變木材部分的環(huán)境基體特征，又保持了木材多孔結(jié)構(gòu)特征，且實(shí)現(xiàn)了對(duì)木材的力學(xué)性能、阻燃性、穩(wěn)定性的顯著改善[8]。Saka 等[13] 最早采用溶膠- 凝膠法改善木材的阻燃性，發(fā)現(xiàn)硅凝膠能顯著提高扁柏的防火能力；吳義強(qiáng)等[14] 制備的APP-SiO₂ 凝膠/ 楊木阻燃復(fù)合材料，通過調(diào)控溶膠- 凝膠工藝過程提升SiO₂ 的吸附能力，進(jìn)而改善阻燃抑煙的效果，獲得了遠(yuǎn)高于素材的熱穩(wěn)定性和彈性模量；Giudice 等[15] 采用溶膠- 凝膠法對(duì)南洋杉用烷氧基硅烷進(jìn)行化學(xué)改性，獲得了良好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。因此，溶膠- 凝膠技術(shù)將阻燃劑等鎖定于附著在細(xì)胞壁、細(xì)胞腔中的凝膠中，在保持木材外觀同時(shí)，可自由調(diào)控木材- 無機(jī)復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和耐火性能。

泡桐木紋理通直，材質(zhì)細(xì)膩輕質(zhì)，打磨后絹絲光澤，耐腐蝕、易雕刻、易染色等特點(diǎn)，特別是其導(dǎo)熱系數(shù)小、干縮小，具有較好的滲透性和擴(kuò)散性，是制造木質(zhì)防火門的理想材料[16-17]。本研究采用溶膠- 凝膠工藝，通過真空- 加壓浸漬法在泡桐木內(nèi)原位構(gòu)建不同金屬鹽摻雜APP/ 硅凝膠阻燃體系[17]，探索硅凝膠對(duì)泡桐的熱、煙釋放的影響規(guī)律，研究金屬摻雜APP/ 硅凝膠體系木材的催化成炭與煙霧毒氣的吸附捕集及催化降毒的協(xié)同作用機(jī)制，為木材的阻燃抑煙改性提供理論基礎(chǔ)，減少火災(zāi)損失和人員傷亡提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

正硅酸乙酯（TEOS）、硫酸錳（MnSO₄）、硫酸鐵（Fe₂（SO4）₃）、乙醇（EtOH）、磷酸（H₃PO₄）均為分析純，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。聚磷酸銨APP100，工業(yè)級(jí)，四川長豐化工有限公司。采用湖北咸寧的12 年生泡桐木Paulowniafortunei 作為試驗(yàn)用樹種，密度約0.32 g/cm³，加工成100 mm×100 mm×10 mm 規(guī)格的試樣。

1.2 儀器設(shè)備

ZM-Z201126-1 型木材真空- 加壓浸漬罐，中國；SCIENTZ-50F 型冷凍干燥機(jī)；Quantan-450 型掃描電子顯微鏡，美國FEI 公司；Netzsch 209F1型熱重分析儀，德國；FTT0007 錐形量熱儀，英國FTT 公司。

1.3 試樣制備

1）配制30% 的APP 水溶液。取15 kgAPP，加入35 kg 去離子水，用磷酸調(diào)節(jié)溶液的pH 值為4.0。

2）將2 250.0 g 的EtOH 和2 785.7 g 的TEOS和964.3 g H₂O 混合成均一溶液，加入200 g 物質(zhì)的量濃度為2.0 mol/L 的鹽酸后冷卻，配制成6.0 kg正硅酸乙酯、乙醇、水的混合溶液。

3）稱取APP 水溶液42 kg 與TEOS 溶液6.0 kg，攪拌混合均勻。

4）取1.0 kg 混合液，按S_i 摩爾數(shù)的5% 進(jìn)行改性（金屬鹽為0.223 mol），分別制得均勻的Fe₂（SO₄）₃、MnSO₄ 摻雜的APP/ 硅凝膠溶液。

5）將稱取質(zhì)量w0 的泡桐木試樣放入ZMZ201126-1 型浸漬罐中，用鋼條固定，注入浸漬液浸沒；抽真空后保持30 min；加壓、保壓，再真空處理11 min。

6）卸罐、取樣，在35 ℃下密封養(yǎng)護(hù)24 h 后，試樣放入SCIENTZ-50F 型冷凍干燥機(jī)真空干燥48h。然后再將干燥后的試樣在80 ℃溫度下干燥處理24 h，稱取記錄質(zhì)量w₁，計(jì)算載藥率R：

R=[（w₁-w₀）/w₀]×100%。

式中：w₀ 為泡桐浸漬前木材的絕干質(zhì)量。

1.4 試樣測(cè)試與表征

將溶膠- 凝膠處理泡桐木粉末試樣和錐形量熱試驗(yàn)殘余物試樣噴金后，采用Quantan-450 型掃描電子顯微鏡（美國FEI 公司）觀察其形貌與結(jié)構(gòu)。采用FTT0007 錐形量熱儀（CONE）（英國FTT 公司），按照ISO-5600 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。在50 kW/m2輻射功率下進(jìn)行CONE 試驗(yàn)，對(duì)水平放置在樣品架上僅露出受熱面的試樣進(jìn)行輻射加熱，記錄數(shù)據(jù)，分析其燃燒特性。采用Netzsch 209F1 型熱重分析儀（德國）測(cè)定質(zhì)量與溫度之間的變化關(guān)系，稱取7 ～ 8 mg 樣品，10 ℃ /min 的升溫速率，升溫范圍30 ～ 800 ℃，20 ml/min 的氮?dú)獯祾摺?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 溶膠- 凝膠處理泡桐木的錐形量熱分析

2.1.1 溶膠- 凝膠處理泡桐木的熱釋放

CONE 所測(cè)溶膠- 凝膠處理泡桐木試樣的熱釋放參數(shù)結(jié)果如表2。材料的著火性是指材料在熱能的作用下，表面揮發(fā)出可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃的能力，可以根據(jù)錐形量熱儀測(cè)量的點(diǎn)火時(shí)間（TTI）來衡量，TTI 是指使材料表面恰好能維持有焰燃燒時(shí)需要的時(shí)間，而TTI 與材料的阻燃性成正比。由表2可知，未處理泡桐木PF-UN 的點(diǎn)燃時(shí)間TTI 最短為5 s，表明未處理泡桐木最容易點(diǎn)著，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較大；PF-Gel 的TTI 稍微增加，而PF-APP/Gel 的TTI 達(dá)到50 s， 摻雜的PF-Fe/APP/Gel 和PF-Mn/APP/Gel 的TTI 分別提升到59 和97 s，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)降低?？煽闯鯬F-Fe/APP/Gel 和PF-Mn/APP/Gel都具有很好的耐火性，其中PF-Mn/APP/Gel 的耐火性能較好。

由表2 可知，PF-UN 的最高熱釋放速率PHRR指數(shù)最高，為233 kW/m²，硅凝膠處理使PF-Gel的PHRR 降低了27 kW/m²。從表2 可看出在泡桐中加入硅凝膠有助于降低泡桐素材PF-UN 的PHRR 值，而在25 ～ 160 s 和215 ～ 330 s 這兩個(gè)區(qū)間的HRR 高于PF-UN，所以PF-Gel 的總熱釋放THR、平均熱釋放速率MHRR、平均有效燃燒熱MEHC 值都高于其他試樣，與文獻(xiàn)[18] 一致。原因在于，殘留在試樣中的乙醇等燃燒釋放大量的熱。而APP/ 硅凝膠浸漬的PF-APP/Gel 試樣，其MHRR 比PF-UN 降低48 kW/m²，F(xiàn)e、Mn 的摻雜使得MHRR 進(jìn)一步迅速降低，PF-Fe/APP/Gel 和PF-Mn/APP/Gel 的MHRR 分別比PF-UN 分別減少62.2、68 kW/m²，只有PF-APP/Gel 的68%、55%。PF-Mn/APP/Gel 試樣的PHRR 值和HRR 值是所有試樣中最低，PF-Fe/APP/Gel 次之。火災(zāi)蔓延指數(shù)FGI 是衡量熱釋放速率重要指標(biāo)之一，F(xiàn)GI 越大，表明達(dá)到峰值熱釋放所用的時(shí)間越短，則火災(zāi)的危險(xiǎn)性越強(qiáng)。PF-UN 的FGI 指數(shù)為11.6 kw/s·m²，而PF-Gel、PF-APP/Gel、PF-Fe/APP/Gel、PF-Mn/APP/Gel 的FGI 值逐漸降低，PF-Mn/APP/Gel 的值僅為0.15 kw/s·m²，在所有樣本中最低，只有泡桐素材PF-UN 的1.3%，這表明Fe、Mn 金屬鹽可顯著減弱泡桐的火災(zāi)蔓延能力。

由表2 可知硅凝膠處理的PF-Gel 的THR 比泡桐素材PF-UN 高，而APP 處理后的PF-APP/Gel試樣， 其THR 比PF-UN 降低了13.7 MJ/m²， 不到PF-Gel 的1/2。金屬鹽摻雜的PF-Fe/APP/Gel 和PF-Mn/APP/Gel 的THR 進(jìn)一步降低，其THR 值分別為11.0、7.9 MJ/m²，比PF-APP/Gel 降低了7.7、10.8 MJ/m²，分別為THR 最高的PF-Gel 的7/25、1/5，比泡桐素材PF-UN降低41.2%、57.8%。

由表2 可知，CONE 試驗(yàn)后PF-UN 的殘?zhí)柯蕿?5.6%，PF-Gel 的殘?zhí)柯试黾拥?5.8%，而APP/ 硅凝膠浸漬的PF-APP/Gel 燃燒后殘留45.8%， 幾乎是PF-UN 的3 倍； 而摻雜PF-Fe/APP/Gel、PF-Mn/APP/Gel 的殘?zhí)柯矢哌_(dá)49.8% 和56.4%，遠(yuǎn)高于其他試樣。綜合而知單一的硅凝膠浸漬無法減少泡桐木的熱釋放，APP/ 硅凝膠能高效抑制泡桐的熱分解和燃燒過程，而Fe、Mn 鹽摻雜APP/ 硅凝膠能夠進(jìn)一步降低熱釋放，提高泡桐木的成炭能力，賦予泡桐木更好的耐火性能，增加材料在火場(chǎng)中的安全性。

2.1.2 溶膠- 凝膠處理泡桐木的煙氣釋放

溶膠- 凝膠處理泡桐木的CONE 試驗(yàn)煙氣釋放參數(shù)結(jié)果列于表3，圖1 為溶膠- 凝膠處理泡桐木的SPR 曲線和TSP 曲線。

結(jié)合圖1 和表3 可知，PF-Mn/APP/Gel 的有焰燃燒時(shí)間TFC 最短，僅為217 s，相比泡桐素材顯著降低；而PF-APP/Gel 的TFC 最長，為312 s，可能是APP 雖然受熱脫水生成多聚磷酸以及難于燃燒的氣體，都對(duì)阻燃卓有成效。但APP 在高溫下產(chǎn)生的PO·自由基和不燃性氨氣能中斷氣相燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致木材在高溫環(huán)境下分解的產(chǎn)物不能夠完全氧化燃燒，這就驗(yàn)證了CONE 試驗(yàn)時(shí)有微小火苗長時(shí)間不熄滅這一現(xiàn)象[19]。而PF-Fe/APP/Gel的TFC比Mn摻雜APP/ 硅凝膠浸漬泡桐的TFC高，這可能因?yàn)镸n 相較于Fe 與APP/ 硅凝膠復(fù)合體系的協(xié)同阻燃作用更強(qiáng)。

泡桐素材PF-UN 的SPR 是243.3 m²/s，硅凝膠、APP/ 硅凝膠浸漬后的SPR 為230.1、189.8 m²/s，其中APP/ 硅凝膠處理的PF-APP/Gel 的SPR 值相較于泡桐素材PF-UN 有明顯減少；Fe、Mn 鹽的加入顯著減少了浸漬泡桐木的SPR，其中PF-Mn/APP/Gel 的SPR 最小，僅為SPR 值最高的PF-UN的1/3，約為APP/ 硅凝膠浸漬處理PF-APP/Gel 的1/2。

TSP1 是試樣點(diǎn)燃后到試驗(yàn)結(jié)束總煙釋放量，TSP2 是試驗(yàn)開始到結(jié)束的總煙釋放量。結(jié)合圖1 與表3 發(fā)現(xiàn)，素材PF-UN 的TSP1 在試樣中最大，為2.15 m²/m²，而TSP2 卻比PF-APP/Gel 要小0.38 m²/m²，可能是APP/ 硅凝膠能明顯抑制試樣的熱分解，使得有焰燃燒時(shí)間所釋放的煙量TSP1減少，但由于使得試樣的小火有焰燃燒時(shí)間延長而釋放更多煙氣，這是PF-APP/Gel 的煙釋放速率SPR 小于泡桐素材PF-UN，而整個(gè)試驗(yàn)過程煙量有所增加的原因，這也是APP 作為阻燃劑需要克服的問題。由圖1 可知從試樣點(diǎn)燃到熄滅期間，TSP 曲線迅速增大，之后趨于水平，這說明燃燒過程產(chǎn)生的煙量主要源于木材熱解階段，而有焰燃燒能加劇木材熱解，與文獻(xiàn)[20] 分析一致。Fe、Mn 摻雜能高效降低TSP， 且PF-Fe/APP/Gel 與PF-Mn/APP/Gel 的TSP1 減少非常顯著，其TSP1分別比最高的PF-UN 減少65%、66%，TSP2 分別比最高的PF-APP/Gel 減少26.7%、26.4%。說明Fe、Mn 鹽在試樣燃燒開始前以及燃燒后到都起到抑煙作用。這可能是Fe、Mn 鹽與APP/ 硅凝膠協(xié)同促進(jìn)泡桐木脫水成炭，受熱后形成Fe（Mn）-Si-磷酸鹽炭層比Si- 磷酸鹽炭層更堅(jiān)固致密，使試樣降解減少，煙氣減少，更能有效抑制熱釋放與煙釋放。

YCO 和YCO₂ 分別表示消耗1 kg 樣品CO 與CO₂ 的釋放量。由表3 各試樣的YCO 與YCO₂ 數(shù)據(jù)可知，硅凝膠能有效降低泡桐素材PF-UN 的CO，這可能是凝膠使泡桐木燃燒更充分而轉(zhuǎn)化為CO₂，使YCO₂ 增加。而APP 浸漬的PF-APP/Gel 的YCO 顯著增加、YCO₂ 顯著減少，這可能因?yàn)锳PP 高溫分解產(chǎn)生不燃性氣體NH₃ 等，稀釋氧氣導(dǎo)致試樣不充分燃燒，從而產(chǎn)生CO。硫酸鐵、硫酸錳摻雜使得PF-Fe/APP/Gel、PF-Mn/APP/Gel 的YCO 較PF-APP/Gel 分別減少了8.38% 和30.01%，YCO₂ 分別減少25.33% 和50.65%。因此，鐵、錳金屬鹽能有助于克服APP 阻燃存在的煙氣增加的不足之處，降低熱釋放的同時(shí)而減少煙氣、CO 和CO₂ 等的產(chǎn)生，且硫酸錳的協(xié)同阻燃抑煙效果更顯著。

2.2 溶膠- 凝膠處理泡桐木的熱分析

溶膠- 凝膠處理泡桐木試樣的熱失重曲線如圖2 所示，TG/DTG 數(shù)據(jù)列于表4。由圖2、表4 可知，在300 ℃之前，泡桐素材PF-UN 的分解速率最慢，而PF-Gel 的分解速率最快，其次是PF-APP/Gel。而含有Fe、Mn 金屬鹽的PF-Fe/APP/Gel 和PF-Mn/APP/Gel 的分解速率介于PF-UN 和PF-APP/Gel之間。PF-UN 的起始分解溫度T5% 最高， 浸漬阻燃處理泡桐木的T_5% 則降低，這可能是浸漬在木材中的阻燃劑降解溫度低于木材的起始分解溫度，如APP 和硅凝膠能在木材達(dá)到燃點(diǎn)之前分解，產(chǎn)生多聚磷酸等可催化木材提前成炭覆蓋于木材表面隔熱隔氧，起到保護(hù)下層基材的作用。而Fe、Mn 摻雜處理的泡桐PF-Fe/APP/Gel和PF-Mn/APP/Gel 的T_5% 低于PF-UN， 但稍高于PF-Gel 和PF-APP/Gel， 這可能是Fe、Mn 摻雜后使得試樣的耐熱性稍微提高。APP 與Fe、Mn 鹽的添加使得試樣的T_60% 顯著提高， 尤其是PF-Fe/APP/Gel 和PF-Mn/APP/Gel 的T_60% 分別為764.5、762.5 ℃， 比PF-UN 的T_60% 分別提高了396.1、394.1 ℃， 也比PF-APP/Gel 分別提高了41.6、39.6 ℃。這說明APP 與硅凝膠催化形成的含硅磷酸鹽的炭（Si- 磷酸鹽炭）有較好的耐熱性；而Fe、Mn 的摻雜使PF-Fe/APP/Gel 和PF-Mn/APP/Gel 生成的含金屬- 硅磷酸鹽的炭（Fe（Mn）-Si-磷酸鹽炭）比PF-APP/Gel 的Si- 磷酸鹽炭更能耐受高溫，尤其是600 ～ 800 ℃高溫，其800 ℃時(shí)的殘?zhí)苛勘萈F-APP/Gel 提高約4%。

2.3 溶膠-凝膠處理泡桐木的解剖特征

溶膠- 凝膠處理泡桐木試樣的掃描電鏡如圖3所示。從圖3 中可見天然泡桐木細(xì)胞呈現(xiàn)為粗大的孔道結(jié)構(gòu)，凝膠- 溶膠處理的木材細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙之間聚積著凝膠顆粒，顆粒沒有嵌入或貫穿泡桐木的細(xì)胞壁，不影響泡桐木的表觀特征和多孔結(jié)構(gòu)。硅凝膠進(jìn)入木材孔道后，因溶膠本身的失水縮聚和木材纖維素活性羥基的縮聚反應(yīng)，使凝膠與木材細(xì)胞壁緊密結(jié)合。凝膠顆粒大都聚集在體積較大的導(dǎo)管和木纖維細(xì)胞腔中，在孔隙較小的紋孔、細(xì)胞間隙中卻聚集較少，這可能因?yàn)榇篌w積有利于凝膠流體運(yùn)動(dòng)，并且在導(dǎo)管中沉積的顆粒大而飽滿。在PF-Fe/APP/Gel、PF-Mn/APP/Gel 的孔道填充充分，顆粒間緊密相連，顆粒充滿整個(gè)孔道，凝膠顆粒分布更加均勻、結(jié)合緊密，因此具有較高的載藥率R。由此可見，APP、Fe、Mn 鹽能協(xié)同促進(jìn)凝膠的水解、縮聚及其與木纖維間的相互作用。由于Fe、Mn 鹽的填充充分，在浸漬泡桐木燃燒時(shí)Fe、Mn 鹽與APP 硅凝膠協(xié)同阻燃促進(jìn)成炭，具有阻滯木材燃燒減少熱釋放的作用；同時(shí)，F(xiàn)e、Mn 鹽摻雜的微納米硅凝膠顆粒，對(duì)煙氣具有強(qiáng)烈的吸附和催化轉(zhuǎn)化作用，因此，F(xiàn)e 摻雜APP/ 硅凝膠泡桐木和Mn 摻雜APP/ 硅凝膠泡桐木的生煙速率和生煙總量顯著降低。

2.4 溶膠- 凝膠處理泡桐木的CONE 試驗(yàn)殘?zhí)糠治?/p>

溶膠- 凝膠處理泡桐木試樣CONE 試驗(yàn)后殘?zhí)康臄?shù)碼照片如圖4 所示。泡桐素材PF-UN 燃燒后形成多條裂縫，裂縫有的大而深，有的小而細(xì)，四周全是白色灰燼，說明殘?zhí)看嘈詮?qiáng)。硅凝膠處理的PF-Gel 燃燒后是密密麻麻的裂紋炭，且炭質(zhì)細(xì)脆、蓬松，難以保護(hù)下層基體不被火焰侵蝕。相對(duì)而言，PF-APP/Gel 的殘?zhí)苛芽p減少，裂紋深度變淺，炭層變得致密結(jié)實(shí)。PF-Fe/APP/Gel 和PF-Mn/APP/Gel 的殘?zhí)恐旅芮伊鸭y淺，整體性強(qiáng)，且PF-Mn/APP/Gel 的裂紋比PF-Fe/APP/Gel 更少更淺，其隔熱隔質(zhì)抑制熱釋放更具優(yōu)勢(shì)，這也與CONE 試驗(yàn)結(jié)果一致，PF-Gel 比PF-UN 燃燒更完全，PF-Fe/APP/Gel 的熱釋放量高于PF-Mn/APP/Gel。所以燃燒形成炭層的形態(tài)、質(zhì)量對(duì)抑制熱釋放，提高耐火性至關(guān)重要。

由圖5 不同溶膠- 凝膠處理泡桐木的CONE試驗(yàn)殘?zhí)侩婄R照片可知，泡桐素材PF-UN 殘?zhí)吭心静慕Y(jié)構(gòu)清晰，炭質(zhì)脆。PW-Gel 的殘?zhí)靠梢?，泡桐的?xì)胞腔完全被凝膠填充，炭的堅(jiān)固性增強(qiáng)。PF-APP/Gel 的殘?zhí)可细街S多大小不一的氣泡，且部分炭層緊密黏結(jié)在一起，這種炭能夠有效隔絕外部熱量，起到良好的阻燃作用。PF-Fe/APP/Gel 和PF-Mn/APP/Gel 試樣的殘?zhí)客耆灰娔静牡脑薪Y(jié)構(gòu)，形成一個(gè)綿延的整體，只有極少的沒有貫穿的孔洞，說明形成的Fe（Mn）-Si- 磷酸鹽炭層完全覆蓋了基材表面，起到了高效阻斷熱量傳遞和煙氣釋放的作用。PF-Mn/APP/Gel 的殘?zhí)烤d延成片，其孔洞比PF-Fe/APP/Gel 少，所以與CONE試驗(yàn)中PF-Mn/APP/Gel 的熱量、煙氣釋放高于PFFe/APP/Gel 一致。

2.5 溶膠- 凝膠處理泡桐木的阻燃機(jī)理

硅凝膠能一定程度上減少泡桐木的煙霧毒氣釋放，但會(huì)增加其熱釋放。APP 與硅凝膠協(xié)同阻燃泡桐木時(shí)，能高效抑制泡桐的熱分解和燃燒過程，這可能APP 分解產(chǎn)生NH₃、H₂O 等不燃性氣體和多聚磷酸等，這些磷酸類物質(zhì)與硅凝膠協(xié)同生成的Si- 磷酸鹽炭層更加堅(jiān)固，覆蓋于木材表面隔熱隔氧，起到了氣相阻燃和凝聚相阻燃作用。Fe、Mn 鹽的添加使泡桐木在高溫下的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，熱量釋放和煙霧毒氣顯著減少，這可能是Fe、Mn 鹽摻雜的微納米硅凝膠顆粒，對(duì)煙氣具有強(qiáng)烈的吸附和催化轉(zhuǎn)化作用，同時(shí)Fe、Mn 鹽與APP 硅凝膠協(xié)同阻燃促進(jìn)成炭，形成一個(gè)綿延的整體完全覆蓋了基材表面阻滯木材燃燒減少熱釋放，說明形成的Fe（Mn）-Si- 磷酸鹽炭層比Si- 磷酸鹽炭層更堅(jiān)固致密，其凝聚相阻燃作用增強(qiáng)。

3 結(jié)論

1）SEM 顯示凝膠顆粒在木材細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙當(dāng)中沉積，PF-Fe/APP/Gel 和PF-Mn/APP/Gel 的孔道填充充分，顆粒大小較均勻，且結(jié)合緊密，說明APP、Fe/Mn 鹽對(duì)凝膠的水解、縮聚以及與木纖維之間的作用有一定的促進(jìn)作用。

2）從CONE 試驗(yàn)得出，硅凝膠能減少煙氣和CO 的生成，略微降低熱釋放速率峰值PHRR 與火災(zāi)蔓延指數(shù)FGI，但一定程度延長了木材的熱解過程，使得PF-Gel 的總熱釋放量THR 比泡桐素材PF-UN 增加了6.9 MJ/m²。APP 能催化泡桐成炭，阻礙泡桐的熱分解和燃燒過程，顯著降低泡桐的著火性，降低木材的PHRR、MHRR，但是使得整個(gè)試驗(yàn)過程的煙量及有毒氣體毒氣增加。

3）Fe、Mn 鹽的摻雜迅速增強(qiáng)APP 硅凝膠阻燃抑煙能力，PF-Fe/APP/Gel 與PF-Mn/APP/Gel的TSP1 顯著減少， 其中PF-Fe/APP/Gel 的抑煙效果最佳；其總熱釋放量比PF-APP/Gel 降低，比PF-UN 也顯著降低。TGA 分析表明，PF-Gel有較低的降解速度，加入APP 可明顯提高浸漬泡桐成炭量， 但PF-APP/Gel 在600 ～ 800 ℃ 高溫區(qū)穩(wěn)定性下降；Fe、Mn 鹽的摻雜可提高在高溫600 ～ 800 ℃下的穩(wěn)定性，說明Fe（Mn）-Si- 磷酸鹽炭層比Si- 磷酸鹽炭層更能耐受高溫，試驗(yàn)結(jié)果與CONE 試驗(yàn)相符。殘?zhí)糠治霰砻鱌F-Gel 受熱燃燒時(shí)形成的炭無法有效隔絕熱和氧氣，APP/ 硅凝膠能提高浸漬泡桐殘?zhí)空w性和堅(jiān)固性，但有少量深裂紋。Fe、Mn 金屬鹽摻雜后，浸漬泡桐殘?zhí)啃纬闪司d延一體的致密炭層。

總之，F(xiàn)e、Mn 能與APP/ 硅凝膠協(xié)同催化泡桐炭化脫水，顯著提高含炭量，形成阻擋熱、煙釋放的致密且堅(jiān)固的炭屏障，抑制物質(zhì)分解，保護(hù)下層基質(zhì)，有效降低木材在火災(zāi)中的危險(xiǎn)性，對(duì)于減少火災(zāi)中人員傷亡具有重要的意義.

[ 本文編校：羅列]