王飛 吳曉梅 李含音

(河南農(nóng)業(yè)大學,鄭州,450046)

根據(jù)應急管理部消防救援局公布最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[1],僅2022年一季度全國發(fā)生了21.9萬起火災,造成625人死亡。其中,居住場所火災數(shù)占火災總數(shù)的38%,但死亡人數(shù)占總數(shù)的80.5%。木材作為一種綠色可再生的生物質(zhì)材料,因其獨特的材料性能和優(yōu)良的環(huán)境學特性,從古至今與人們的居住場所密不可分[2]。然而,木質(zhì)材料非常易燃,尤其是使用時間越久越易燃燒,導致火災甚至威脅到人們的生命財產(chǎn)安全,因此,對于木材阻燃性的研究具有迫切的現(xiàn)實意義。

無機硅酸鈉天然無毒,價格低廉,耐高溫性優(yōu)異,在木材增硬、阻燃改性方面一直發(fā)揮著重要作用[3]。硅酸鈉改性木材的性能與處理工藝存在著密切聯(lián)系,通過改良傳統(tǒng)浸漬工藝,提高對硅酸鈉的載藥量,逐漸成為研究者們的關注重點。Zhang et al.[4]通過碳酸氫鈉的分解和膨脹作用,從內(nèi)到外打開循環(huán)路徑,提高了楊木的滲透性;再通過真空浸漬過程,獲得高濃度的硅酸鈉,制得改性楊木的質(zhì)量增加率達到65.2%。Li et al.[5]通過仿生呼吸法制得硅酸鹽改性杉木,通過對木材進行負壓處理,以達到壓縮木材內(nèi)部細胞腔以及孔隙的目的。當負壓轉(zhuǎn)化為正壓時,細胞腔和孔隙完全打開,形成通道使得改性劑能順利浸入,顯著改善浸漬效果。

本研究以巴沙木(Ochromapyramidale)木材為研究對象,制備尺寸為(縱向×徑向×弦向)100 mm×100 mm×2 mm的試件(天然木材試件);采用“質(zhì)量分數(shù)2%的亞氯酸鈉溶液+加冰醋酸”,制備脫木質(zhì)素木材試件;采用質(zhì)量分數(shù)為30%的硅酸鈉溶液,浸漬天然木材試件、脫木質(zhì)素木材試件,制備阻燃木材試件、阻燃脫木質(zhì)素木材試件;參照相關標準,測定試件的氧指數(shù)、點燃時間、熱釋放速率、總熱釋放量、總煙釋放量、一氧化碳產(chǎn)量、二氧化碳產(chǎn)量、殘余物質(zhì)量、熱穩(wěn)定性;分析天然木材、脫木質(zhì)素木材、阻燃木材、阻燃脫木質(zhì)素木材的燃燒性能,探索“脫木質(zhì)素+硅酸鈉浸漬”協(xié)同處理對巴沙木木材阻燃性能的影響。旨在為木材阻燃改性提供參考。

1 材料與方法

巴沙木(Ochromapyramidale)購自珠海德馳科技有限公司,試件尺寸為(縱向×徑向×弦向)100 mm×100 mm×2 mm,氣干密度0.094 g·cm-3;主要試劑為九水合硅酸鈉、亞氯酸鈉、冰醋酸、無水乙醇,均為分析純;主要儀器為DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、FD-2A真空冷凍干燥機、HC-2CZ型氧指數(shù)測定儀、FTT0007型錐形量熱儀、TG 209 F1 Libra熱質(zhì)量分析儀。

脫木質(zhì)素處理:首先用蒸餾水配置質(zhì)量分數(shù)2%的亞氯酸鈉溶液,加冰醋酸調(diào)節(jié)pH至4.6;將木材浸沒到溶液中,升高溫度至85 ℃,蒸煮3 h,保持液面始終高于木材樣品,脫除木材中大部分木質(zhì)素和半纖維素;然后用蒸餾水以及無水乙醇多次沖洗木材,再采用85 ℃蒸餾水溶液蒸煮木材0.5 h,換水重復3次,以除去殘留的化學物質(zhì);最后在真空冷凍干燥機中先冷凍12 h,然后真空干燥48 h,制得脫木質(zhì)素木材試件。

浸漬處理:采用九水合硅酸鈉配置質(zhì)量分數(shù)為30%的硅酸鈉溶液,同時浸漬天然木材試件、脫木質(zhì)素木材試件,85 ℃水浴高溫浸漬處理1.5 h。將浸漬材取出后氣干7 d,然后55 ℃干燥12 h,制得阻燃木材試件、阻燃脫木質(zhì)素木材試件,放入真空密封袋中備用。

質(zhì)量增加率=[(m1-m0)/m0]×100%;m0為浸漬前木材絕干質(zhì)量,m1為浸漬后木材絕干質(zhì)量。

參照GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》進行檢測試件密度,每組均為10個試件。根據(jù)GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測定燃燒行為》測試試件的氧指數(shù),每組15個試件。應用錐形量熱儀,按照ISO 5660-1:2002《對火反應試驗——熱釋放、產(chǎn)煙量及質(zhì)量損失速率第1部分:熱釋放速率(錐形量熱儀法)》測試試件的點燃時間、熱釋放速率、總熱釋放量、總煙釋放量、一氧化碳產(chǎn)量、二氧化碳產(chǎn)量、殘余物質(zhì)量,熱輻射功率25 kW·m-2,每組3個試件。采用粉碎機將試驗樣品粉碎,篩取40～60目木粉置于熱質(zhì)量分析儀中,在空氣氣氛環(huán)境進行熱穩(wěn)定性測試,測試溫度25～600 ℃、升溫速率10 ℃·min-1。

2 結果與分析

2.1 硅酸鈉改性和脫木質(zhì)素處理對改性材密度和氧指數(shù)的影響

由表1可見:本研究試驗所用天然巴沙木的密度為0.094 g·cm-3,而脫木質(zhì)素處理引起的質(zhì)量損失導致木材密度下降超過30%。硅酸鈉改性天然木材的密度增幅達132.98%,尤其是脫木質(zhì)素處理促使硅酸鈉浸漬木材的質(zhì)量增加率由172.12%升高至572.28%,密度提升1.5倍以上。

表1 天然木材和改性材的氣干密度和氧指數(shù)

氧指數(shù)是指木材在氧氮混合氣流中維持有焰燃燒所需的最低氧比例。與天然木材相比,脫木質(zhì)素木材的氧指數(shù)下降至20%以下;而阻燃木材、阻燃脫木質(zhì)素木材的氧指數(shù),分別提高1.17倍、1.57倍以上,阻燃木材、阻燃脫木質(zhì)素木材阻燃的原因,主要是硅酸鈉在受熱分解時失去結晶水并析出表面,產(chǎn)生的水蒸氣帶走大部分熱量,并稀釋可燃性氣體,減少助燃,使木材達到阻燃的目的,并且脫木質(zhì)素處理有利于阻燃劑在木材內(nèi)部有效滲透,使得硅酸鈉改性木材的阻燃作用進一步加強。

2.2 硅酸鈉改性和脫木質(zhì)素處理對改性材燃燒性能的影響

天然木材與改性材的燃燒性能見表2。

①硅酸鈉改性和脫木質(zhì)素處理,對改性材點燃時間的影響。點燃時間是指木材表面產(chǎn)生明火燃燒所需要的時間。時間越長,表明木材在試驗條件下越不易被點燃,阻燃特性越好[6]。與天然木材相比,脫木質(zhì)素木材點燃時間縮短7s,說明經(jīng)脫木質(zhì)素處理的木材更易被點燃。而阻燃木材、阻燃脫木質(zhì)素木材始終未見明火產(chǎn)生,表明硅酸鈉改性木材具有顯著的阻燃效果。

②硅酸鈉改性和脫木質(zhì)素處理,對改性材熱釋放速率、總熱釋放量的影響。熱釋放速率表示單位時間內(nèi)單位面積材料燃燒時釋放熱量的速率,熱釋放速率越大,材料發(fā)生火災的危險性也越大[7]。由表2和圖1可見,木材經(jīng)脫木質(zhì)素或硅酸鈉處理后,熱釋放速率大幅度降低。與天然木材相比,脫木質(zhì)素木材熱釋放速率峰值下降43%,但放熱峰出現(xiàn)時間提前;阻燃木材、阻燃脫木質(zhì)素木材的熱釋放速率峰值,分別下降93%、96%,兩者的熱釋放速率峰值出現(xiàn)時間比天然木材分別延遲25、20 s,這是因為燃燒過程中硅酸鈉在木材表面形成無機硅渣的熱屏障,從而阻隔部分熱量的傳遞[8]。

圖1 天然木材和改性材的熱釋放速率和總熱釋放量

總熱釋放量表示單位面積的材料從點燃到火焰熄滅為止所釋放熱量的總和?？偀後尫帕吭叫?材料所釋放的熱量也越少,材料的阻燃性能也越好[7]。改性材的總熱釋放量比天然木材明顯降低,這與熱釋放速率曲線變化規(guī)律一致。與天然木材相比,硅酸鈉阻燃木材的總熱釋放量下降75%,這是因為硅酸鈉水解能夠形成多聚硅酸,生成的無機膜在木材表面形成隔層,可阻止木材受熱分解出來的可燃性氣體外逸和阻止大氣中的氧氣進入木材,具有良好的隔熱作用[9]。通過依次對比天然木材和脫木質(zhì)素木材、阻燃木材和阻燃脫木質(zhì)素木材2組試驗結果發(fā)現(xiàn),脫木質(zhì)素處理對降低木材的總熱釋放量具有非常顯著的效果。采用脫木質(zhì)素處理和硅酸鈉浸漬兩步處理后,試件的阻燃效果更好(降幅84%以上),有效抑制了火焰蔓延。

③硅酸鈉改性和脫木質(zhì)素處理,對改性材總煙釋放量的影響。總煙釋放量表示單位面積材料在燃燒過程中釋放煙量的總和[7],數(shù)值越大,累計發(fā)煙量越多。由圖2可見,天然木材在0～50 s時間段煙氣釋放量陡然上升,在一定程度上加重了火災逃生風險。在整個燃燒過程中,經(jīng)硅酸鈉浸漬或脫木質(zhì)素處理,試件的總煙釋放量始終低于天然木材。并且由表2可見,與天然木材相比,阻燃木材和脫木質(zhì)素木材的總煙釋放量下降68%,表明脫木質(zhì)素處理和硅酸鈉浸漬2種方法均能有效抑制煙氣的生成。硅酸鈉改性脫木質(zhì)素木材的總煙釋放量曲線平緩,特別在燃燒前段(0～100 s)沒有出現(xiàn)大量生煙跡象,為人員逃生留出寶貴時間,最終的煙氣釋放量達到4組試件的最低值。

圖2 天然木材和改性材的總煙釋放量

④硅酸鈉改性和脫木質(zhì)素處理,對改性材一氧化碳產(chǎn)量、二氧化碳產(chǎn)量的影響。一氧化碳、二氧化碳產(chǎn)量,是指材料燃燒時在單位時間內(nèi)產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳的質(zhì)量[10]。由圖3可見,天然木材、脫木質(zhì)素木材、阻燃木材在0～100 s時間段內(nèi)生成大量一氧化碳,且氣體產(chǎn)量峰值由大到小依次為天然木材、脫木質(zhì)素木材、阻燃木材。隨著時間的變化,阻燃脫木質(zhì)素木材的一氧化碳產(chǎn)量曲線呈現(xiàn)小幅度波動的均勻分布,其一氧化碳產(chǎn)量低于其他3組,說明硅酸鈉作為阻燃劑對一氧化碳的生成具有顯著的抑制作用。天然木材和脫木質(zhì)素木材的二氧化碳產(chǎn)量曲線,在0～50 s均呈現(xiàn)明顯的峰值特征,說明試件在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量二氧化碳。與天然木材相比,阻燃木材和阻燃脫木質(zhì)素木材的二氧化碳產(chǎn)量大幅下降,表明硅酸鈉能夠降低木材燃燒過程中二氧化碳的釋放。

圖3 天然木材和改性材的一氧化碳和二氧化碳產(chǎn)量

⑤硅酸鈉改性和脫木質(zhì)素處理,對改性材殘余物質(zhì)量的影響。殘余物質(zhì)量是表示材料在燃燒過程中某一時刻的殘余質(zhì)量。由圖4可見,天然木材和脫木質(zhì)素木材的殘余物質(zhì)量曲線變化大致相同,燃燒120 s之后殘余物質(zhì)量趨于恒定,質(zhì)量降幅超過90%。阻燃木材和阻燃脫木質(zhì)素木材在燃燒50 s后進入質(zhì)量快速損失階段,兩者在300 s燃燒結束后殘余物質(zhì)量明顯高于天然木材和脫木質(zhì)素木材,并且硅酸鈉載藥率越大,木材燃燒殘余物質(zhì)量越高。

圖4 天然木材和改性材的殘余物質(zhì)量

⑥硅酸鈉改性和脫木質(zhì)素處理,對改性材殘?zhí)啃蚊驳挠绊憽D5為天然木材和改性材錐形量熱試驗燃燒剩余物數(shù)碼照片,由圖5可見:天然木材和脫木質(zhì)素木材,在燃燒300 s后只有少量剩余物(這與殘余物質(zhì)量結果保持一致);阻燃木材燃燒后仍保存完整,有少量白色物質(zhì)析出;而阻燃脫木質(zhì)素木材燃燒后,結構表面出現(xiàn)大量白色物質(zhì)覆蓋,這是因為硅酸鹽含有大量的硅羥基,在燃燒過程中,硅羥基之間發(fā)生脫水,水蒸氣作為氣源發(fā)生膨脹,形成無機二氧化硅層。

圖5 天然木材和改性材的燃燒殘?zhí)空掌?/p>

2.3 硅酸鈉改性和脫木質(zhì)素處理對改性材熱穩(wěn)定性的影響

天然木材和改性材的熱分解過程分為3個階段(見圖6):

圖6 天然木材和改性材的熱質(zhì)量分析曲線

①第一階段是干燥階段。溫度范圍從25～175 ℃,木材成分幾乎沒有變化,主要是木材吸收熱量蒸發(fā)木材中的水分。阻燃木材和阻燃脫木質(zhì)素木材的質(zhì)量損失,明顯快于天然木材和脫木質(zhì)素木材,這是因為硅酸鈉加熱容易失去結晶水。

②第二階段是炭化階段。溫度范圍從175～325 ℃,木材熱分解反應明顯,分解速率明顯加快,大量分解產(chǎn)物產(chǎn)生,產(chǎn)生可然性氣體。天然木材和脫木質(zhì)素木材在這個階段質(zhì)量損失大幅增加,2者的質(zhì)量損失峰值均超過12%·min-1,而阻燃木材和阻燃脫木質(zhì)素木材的最大質(zhì)量損失峰均提前并有效降低了峰值,說明硅酸鈉能夠促進木材在較低溫度時提前分解炭化。

③第三階段是煅燒階段。溫度范圍從325～600 ℃,天然木材和脫木質(zhì)素木材在這一階段存在一個質(zhì)量損失速率峰,主要是由于木質(zhì)素的分解和殘?zhí)垦趸磻慕Y果[11],而硅酸鈉改性天然木材和硅酸鈉改性脫木質(zhì)素木材的熱質(zhì)量曲線和微商熱質(zhì)量曲線趨于平緩。當溫度達到600 ℃時,天然木材和脫木質(zhì)素木材殘?zhí)苛績H為1%左右,阻燃木材、阻燃脫木質(zhì)素木材的殘?zhí)苛糠謩e達到53.05%、63.65%,說明脫木質(zhì)素處理對木材殘?zhí)苛坑绊懖幻黠@,硅酸鈉改性脫木質(zhì)素木材能有效提高木材的殘?zhí)苛俊?/p>

綜合試驗結果,阻燃脫木質(zhì)素木材的質(zhì)量損失速率,比天然木材、阻燃木材有明顯降低,熱穩(wěn)定性提高。硅酸鈉浸漬對木材熱解具有促進成炭的作用,并促使木材提前分解,且殘?zhí)苛恳裁黠@提升。

3 結論

脫木質(zhì)素處理有利于硅酸鈉在木材內(nèi)部有效滲透,使得硅酸鈉改性木材的密度提升1.5倍以上,氧指數(shù)從48.4%提高至57.0%,阻燃作用進一步加強。

“硅酸鈉浸漬+脫木質(zhì)素”協(xié)同處理,能夠有效提高木材的阻燃性能和抑煙性能,改性材的熱釋放速率峰值、總熱釋放量、總煙釋放量,分別降低96.4%、84.0%、70.6%,一氧化碳、二氧化碳產(chǎn)量大幅下降,燃燒剩余物質(zhì)量增加且結構相對完整,對延緩火災發(fā)生和人員疏散具有十分重要的作用。

硅酸鈉能夠促進木材在較低溫度時提前分解炭化,阻燃脫木質(zhì)素木材的殘?zhí)苛勘忍烊荒静脑黾?2%以上,熱穩(wěn)定性大幅提高。