分子篩對聚磷酸銨處理楊木吸濕性與阻燃性能的影響

王曉蒙 王明枝 李 黎

(北京林業大學木質材料科學與應用教育部重點實驗室，北京 100083)

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分子篩對聚磷酸銨處理楊木吸濕性與阻燃性能的影響

王曉蒙 王明枝 李 黎

(北京林業大學木質材料科學與應用教育部重點實驗室，北京 100083)

在不同處理條件下，進行分子篩(4A型與13X型)對木材阻燃劑聚磷酸銨(APP)處理試件的載藥量、吸濕性、氧指數的影響試驗。結果表明，隨著APP濃度的升高，處理材的載藥量、吸濕率與氧指數均呈上升趨勢；分子篩在增大木材載藥量的同時可降低其吸濕率；20%的APP與2%的4A分子篩復配溶液處理楊木單板的載藥量最高，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處理木材的氧指數為48.7%，加入2%的4A或13X分子篩后，楊木單板的氧指數分別為41.5%與46.7%，均達到難燃B1級材料的氧指數標準。

楊木；聚磷酸銨；分子篩；吸濕性；氧指數

木材是一種可再生的綠色環保材料，因其具有良好的視覺、觸覺、調溫調濕等特性而被廣泛應用于建筑、裝飾等領域[1]。但是木材固有的易燃性給人類帶來安全隱患的同時，也限制了其在更多領域的應用發展。因此，對木質材料的阻燃處理具有重要的社會效益與經濟效益[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、污染少且價廉等優點，廣泛地應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構及組成決定了其具有水溶性的同時也具有一定的吸濕性。隨著處理材含水率的增大,無機物阻燃劑會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]。但木材的吸濕性對載藥量有很大影響，尤其對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，減少其對吸濕性的影響[9-10]。本試驗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)，研究不同處理條件對楊木載藥量、吸濕率及氧指數的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器設備

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

電熱恒溫鼓風干燥箱、恒溫恒濕箱、分析天平、氧指數測試儀。

1.2 阻燃劑溶液配制

阻燃劑溶液配方見表1。

表1 阻燃劑配方

根據表1中的比例進行阻燃劑溶液的配制。在美國標準ASTM E84《建筑材料表面燃燒性能的測定方法》中，規定木材阻燃劑載藥量≥50 kg/m3，但我國沒有相關標準，通常也要求載藥量≥30 kg/m3[11]。根據1～5組前期試驗結果，當APP濃度為15%與20%時，楊木單板載藥量均達到 30 kg/m3以上，因此，將2%的分子篩加入APP濃度為15%和20%的溶液中進行復配。

1.3 試驗方法

按ASTM D3201-2003的測試要求[12]，載藥量與吸濕性試驗試件尺寸均為120 mm×120 mm，取質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，試驗時上方放置重物，防止浸漬時試件漂浮，浸漬時間為3 h。

1.4 載藥量計算

按ASTM D3201-2003的測驗要求[12]，將已經浸漬處理的試件置于溫度(25±2)℃、相對濕度30%～65%的環境中放置7 d，稱其質量，計算載藥量。

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

1.5 吸濕性計算

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

式中：W為吸濕率，%；M3為吸濕后試件的質量，g；M4為吸濕后烘至絕干試件的質量，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 氧指數計算

氧指數試件尺寸為150.0mm×10.0mm× 2.5mm，浸漬處理工藝與1.4相同。根據GB2406—2009《塑料燃燒性能試驗方法：氧指數法》[13]，測試夾夾住木材試件的下端，從試件的寬面上距點火端50mm處劃一標線。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，用點火器點燃試樣頂端，同時記時和觀察試樣燃燒長度，與所規定的數據相比較。

試件燃燒時間規定為3min。當試樣的燃燒時間超過3min或火焰前沿超過標線時，降低氧濃度；試件的燃燒時間不足3min或火焰前沿不到標線時，則增加氧濃度。經反復測試，測定試件氧指數。

2 結果與分析

阻燃處理楊木單板的載藥量、吸濕性與吸濕比測定結果見表2。

表2 阻燃處理楊木單板的載藥量、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。未經處理的楊木單板吸濕率為22.12%，經20%的APP處理后單板的吸濕率為45.24%，吸濕比為2.05。這是因為APP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，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，分子篩的加入同樣使木材的吸濕比降低了15%與18%。說明分子篩對降低阻燃木材的吸濕性有很好的效果。這是因為分子篩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，減少其對吸濕性的影響。

2.3 氧指數

為了測試分子篩對木材阻燃性能的影響，對不同處理的楊木單板進行氧指數測試。從表2可以看出：試件氧指數隨載藥量的提高呈增加趨勢。15%的APP處理木材后，木材的載藥量為34.44 kg/m3，氧指數為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，但氧指數分別下降到41.5%與46.7%。載藥量增加但氧指數降低的原因，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，氧指數略有下降，但楊木單板的氧指數均能達到難燃B1級材料的標準。因此，分子篩可用于木材阻燃。

3 結 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，試件的載藥量分別為34.44 kg/m3和43.06 kg/m3，均達到我國通常要求≥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到最高值(51.11 kg/m3)，達到美國標準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處理楊木單板的吸濕比最大，為2.05。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) 楊木單板的氧指數隨APP濃度的升高呈增加趨勢。阻燃劑溶液中加入分子篩后，試件的氧指數略有下降。APP濃度≥10%時，楊木單板的氧指數均能達到難燃B1級材料的氧指數標準。

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

[2] 王清文．木材阻燃工藝學原理[M]．哈爾濱：東北林業大學出版社，2000．

[3] 歐育湘，李建軍．阻燃劑:性能、制造及應用[M]．北京：化學工業出版社，2008．

[4] 鮑治宇，董延茂．膨脹阻燃技術及應用[M]．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，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，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]．西南林業大學學報，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]．消防技術與產品信息，1998(2)：26, 28-29, 27．

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

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

(責任編輯 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

國家林業公益性科研項目(201204704)資助。

王明枝(1979—)，女，博士，講師。研究方向：木材保護與改性。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。