硅溶膠改性楊木復合材料制備與性能研究

孫 珂，徐子涵，張 賀，胡洪亮

(吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118)

1 引言

楊木作為木質材料之一，用途十分廣泛。在建筑領域上楊木一般都被加工成膠合板和纖維板[1]，同時楊木也是造紙、火柴及包裝等行業的重要材料。但是類比于像混凝土、水泥等建筑材料，楊木本身作為木材，具有易燃燒的特點。現如今市場上的木材阻燃材料層出不窮，但大部分阻燃材料雖然可以在一定程度上阻止木材燃燒，但這些材料在受熱時會產生一種有毒物質，伴隨著火災時的煙一同被吸入體內，對人體造成傷害[2]。硅溶膠具有黏度低、粒徑小的特點，能夠有效滲入木材孔隙結構中，經過凝膠、干燥后得到穩定的空間結構和較高的硬度；且硅溶膠安全環保，無游離甲醛，具有較好的熱穩定性和生物相容性，是一種很有前景的木材改性劑[3]。同時已有研究表明，相同阻燃劑對不同材料的適應性存在顯著差異。因此，本文有針對性地提出采用硅溶膠體系對楊木進行浸漬改性。探討了不同濃度的硅溶膠浸漬體系對木材力學性能及阻燃性能的影響，并對其形成機理進行分析。

2 實驗部分

2.1 試驗材料與儀器

楊木，長春榮星木材廠；硅溶膠，科力特無機硅有限責任公司；WAW-600KN型微機控制電液伺服萬能試驗機，長春新科試驗儀器有限公司；WGL-65電熱鼓風干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；WD-9415B型超聲波清洗器，北京市六一儀器廠；電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司等。

2.2 實驗過程

將硅溶膠和蒸餾水按一定比例分別配制成硅溶膠濃度為10%、20%、30%、40%、50%的浸漬液待用。將實驗所用楊木根據木材實驗標準，通過木材加工廠經切割、刨光等工藝后，獲得尺寸為10 mm×10 mm×100 mm,30 mm×20 mm×200 mm,20 mm×20 mm×300 mm的試樣各5組，分別用于測試氧指數、抗壓強度、抗彎強度指標。首先將其放入103 ℃烘箱內進行絕干處理，烘干4h后開始每隔1 h稱量試塊質量，直至烘干8h后試塊質量幾乎不再發生變化，即可視為試塊已經達到了絕干狀態[4]，記錄其絕干質量W1。然后將其分別放入預制好的濃度為0%、10%、20%、30%、40%、50%的硅溶膠浸漬液內進行常壓浸漬處理，48h后完成浸漬。將浸漬后的木材試塊再次烘干8h，記錄其絕干質量W2。對處理后的試樣分別進行抗壓強度、抗彎強度、氧指數試驗。

3 結果與討論

3.1 水浸漬對楊木的影響

在制備硅溶膠改性木材復合材料的空白對照組實驗中，水浸漬后的木材試樣出現了質量損失，其質量比浸漬前降低了1.91%～3.09%；通過分析認為是木材中及少量多糖及原木中的K、Na碳酸鹽等無機物的溶出所造成。同時，我們測試了浸漬后楊木試塊的抗壓強度和抗彎強度，并和未經水浸漬的原木進行比較，如圖1所示。從圖中數據可知，同未浸漬的原木相比，空白對照組的抗壓強度值下降了6.8%，抗彎強度值下降了5.9%，試驗表明水浸漬后樣品多糖等物質的溶出使木材纖維結構的致密性受到破壞所以導致木材的力學性能下降。

3.2 力學性能

通過試驗測得的抗壓強度、抗彎強度試驗結果如圖2所示，通過折線圖我們可以發現，經10%、20%濃度浸漬液浸漬的木材試樣的力學性能低于蒸餾水浸漬的空白試樣，但呈現出穩定增長的趨勢；經30%濃度浸漬液浸漬的木材試樣的力學性能高于原木；經40%、50%、60%、70%濃度浸漬液浸漬的木材試樣與原木的力學性能接近。研究表明，當使用低濃度硅溶膠浸漬液浸漬木材時，浸漬液中的水會使木材中的一些無機成分和少量多糖溶出，從而導致了木材內部纖維結構形成了缺陷；當硅溶膠濃度較低時其溶液滲透壓較小，只有少量硅溶膠分子團的的滲入，然而由于硅溶膠分子團滲入較少，無法實現對纖維缺陷的補償，從而使得木材的抗壓、抗彎強度大幅下降。而隨著硅溶膠浸漬液濃度的增長，溶液滲透壓提升，硅溶膠填充纖維缺陷的能力增強，有效地改善了材料在受力過程中的應力集中問題，這時硅溶膠分子團對整個木材結構的抗壓、抗彎性能產生了一個增強作用。從而使得木材的抗壓、抗彎性能提升。當硅溶膠浸漬液濃度繼續增大，硅溶膠的含量越來越多，導致浸漬液的流動性變小，硅溶膠膠體粒子形成了大分子團，使得硅溶膠難以滲透到木材纖維缺陷部位；所以對木材的抗壓、抗彎強度影響較弱。

圖1 (a)蒸餾水浸漬前后后木材抗彎性能的變化(b)蒸餾水浸漬前后后木材抗壓性能的變化

圖2 (a)抗壓強度試驗結果分析(b)抗彎強度試驗結果分析

3.3 阻燃性能

硅溶膠木材試樣的氧指數實驗結果如圖3所示。硅溶膠改性楊木阻燃復合材料的氧指數呈現先上升后下降的趨勢，當硅溶膠含量為30%、40%時材料阻燃性能最佳，氧指數為33%。主要是由于隨著浸漬液濃度的增大，進入木材內部的硅溶膠增多，對木材的阻燃性能增強，但當其濃度超過40%時，由于硅溶膠浸漬液的膠體粒徑由小分子團分散變為大分子團分散結構，造成硅溶膠的分散、滲透能力下降硅溶膠無法進入木材內部，所以使得木材試塊整體氧指數呈現出下降趨勢。因此研究認為，當硅溶膠濃度為30%和40%時，試樣的阻燃性能最優。

4 結語

本研究在常壓浸漬的條件下用硅溶膠對木材進行了改性處理。硅溶膠浸漬處理后木材試樣的阻燃效果明顯增加，不同濃度的浸漬液會對木材試樣的抗壓強度、抗彎強度產生不同程度的影響，其中30%的硅溶膠浸漬液對木材的各項性能提升最為明顯，可使木材的抗壓強度提升8.5%，抗彎強度提升25%，氧指數提升22%。

圖3 氧指數試驗結果分析