阻燃處理對熱改性橡膠木表面潤濕性的影響①

蔣匯川 陸全濟 李 民 李冠君

(1中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部橡膠樹生物學與遺傳資源利用重點實驗室/國家重要熱帶作物工程技術(shù)研究中心橡膠分中心 海南海口571101)

橡膠樹（Hevea BrasiliensisMuell.Arg），大戟科橡膠樹屬植物，是我國熱帶地區(qū)重要的經(jīng)濟作物之一。2016年我國天然橡膠種植面積已超過117.73萬hm2，更新面積2.5萬hm2，更新后的橡膠樹木材又成為寶貴的木材資源。據(jù)估算，我國每年更新的橡膠樹原木超過200萬m3，橡膠樹木材已成為我國熱帶地區(qū)主要的人工林商品木材。

橡膠木材色澤淡雅、紋理均勻、密度和強度適中、加工和涂飾性能好，適宜制作家具、地板、室內(nèi)裝飾裝修材料和建筑模板。筆者所在研究團隊致力于橡膠木高效增值利用研究，主要集中在橡膠木高溫熱改性、阻燃處理和防腐防霉技術(shù)研究［1-7］。木材高溫熱改性處理能提高木材的尺寸穩(wěn)定性、耐腐性能以及疏水性能。研究證實，木材表面的潤濕性對木材的界面膠合質(zhì)量有重要的影響。潤濕性是固體界面由固—氣界面轉(zhuǎn)變?yōu)楣獭航缑娴默F(xiàn)象。木材的潤濕性所表征的是液體與木材接觸時，液體在木材表面潤濕、鋪展以及粘附的難易程度和效果，是持久膠合的必要條件，也是一種重要的界面特性［8］。根據(jù)國家《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016-2014）和《建筑內(nèi)部裝修設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50222-2017）等消防法規(guī)的要求，跟其他木質(zhì)材料一樣，橡膠木需要進行阻燃處理才能廣泛用于家具制造、實木地板、裝飾裝修材料等領(lǐng)域。因此，研究阻燃橡膠木的表面潤濕性顯得十分必要。本文采用不同阻燃劑對熱改性橡膠木進行處理，對阻燃處理的熱改性橡膠木的表面潤濕性進行分析，主要通過表面接觸角的變化來說明阻燃處理對熱改性橡膠木表面潤濕性的影響，以期為橡膠木的高效增值利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料

試材采自海南省儋州市大成鎮(zhèn)安成村，34年生人工林橡膠樹木材(PR107)，試材采集、鋸解按國家標準GB/T 1927～1929-2009進行。干燥至含水率為12%時，制成長120 mm、寬10 mm、厚10 mm規(guī)格試件，鋸解前為雙面砂光。

1.1.2 儀器及試劑

試驗型木材熱改性處理箱（0.3 m3，自制）；試驗型木材浸漬處理罐(自制)；動態(tài)接觸角測量儀(德國KRUSS設(shè)備公司，DSA100）。

磷酸二氫銨（MAP），工業(yè)級；磷酸氫二銨（DAP），工業(yè)級；聚磷酸銨(APP)，工業(yè)級；硼酸（BA），工業(yè)級；硼砂（BX），工業(yè)級。

1.2 方法

1.2.1 橡膠木試樣熱改性處理［9-11］

熱處理工藝：采用芬蘭ThermoWood熱處理工藝。首先緩慢升溫至130℃，待木材含水率降至5%以下快速升溫至200℃并保持3 h。溫度升至130℃時通入過熱蒸汽作為保護氣體，改性結(jié)束后停止加熱，并適量通入冷卻水降溫，保持通入過熱蒸汽直到溫度降至130℃以下。

1.2.2 橡膠木的阻燃處理［9-11］

根據(jù)AWAP P50-2010《Standard for Fire Retardant FR-2》配比要求中的平均值配制P-N-B復(fù)合阻燃劑(20%，質(zhì)量分數(shù))FRRW1、FRRW2和FRRW3，復(fù)合阻燃劑pH值分別為6.4、6.7和6.6。將配制好的復(fù)合阻燃劑溶液對炭化橡膠木進行真空加壓浸漬處理。前真空度為0.08 MPa，處理時間為15 min，浸注壓力為1.0 MPa，浸注時間為30 min。

1.2.3 試樣調(diào)制

所有試樣在恒溫恒濕（20℃，65%RH）的環(huán)境中調(diào)制14 d，放置時上下表面懸空，均與大氣接觸。

1.2.4 橡膠木表面接觸角測試［12］

在恒溫恒濕(20℃，65%RH)條件下測試橡膠木的表面接觸角，測試介質(zhì)為蒸餾水，每個處理水平測試2個試樣，每個試樣重復(fù)測試2次。試驗每次注射液滴3 μL，以液滴脫落針尖時計時，每80ms讀取一次液滴左右接觸角平均值，測試至30 s，共測試376個點。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件R 3.53和Origin 9.0進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

不同阻燃劑處理熱改性橡膠木的表面表面接觸角測試結(jié)果見圖1。圖中的每條曲線代表一個測試點的變化。由于橡膠木的表面是親水的，從圖1可以看到，當蒸餾水滴至木材表面后，接觸角一直下降。對阻燃熱改性橡膠木而言，5 s以后木材表面接觸角的平均值在30°(FRRW2為31.10°)以下，與初始值相比較，不同阻燃劑處理的木材表面接觸角分別下降51.08°、43.08°、57.30°，平均下降50.49°(表1)。未處理和處理橡膠木表面接觸角均在10 s內(nèi)曲線驟然下降后趨于平緩。未處理與阻燃熱改性橡膠木的表面接觸角變化趨勢是一致的。由方差分析(表2)和圖2可知，阻燃處理對熱改性橡膠木的表面接觸角的大小有顯著影響，但不同阻燃劑處理對橡膠木表面接觸角無顯著影響，接觸角大小比較接近，并無明顯的增大或減少，這說明不同阻燃劑處理并沒有影響熱改性橡膠木的表面接觸角的變化。

3 討論與結(jié)論

木材的潤濕性是指液體(水、膠粘劑、涂料等)與其接觸時，在其表面潤濕、流展以及黏附的性能。潤濕性的大小是以液滴在木材表面上形成的接觸角(θ)或接觸角的余弦(cosθ)的大小來表征。接觸角越大，表明木材的表面潤濕性越差。潤濕性是木質(zhì)材料的一項重要性質(zhì)，潤濕性的高低對木材的膠合、涂飾、改性處理等有重要影響。研究已證實，高溫熱改性處理能夠提高木材的疏水性能，熱改性木材的潤濕能力降低［13-14］。通過試驗發(fā)現(xiàn)，采用磷氮硼復(fù)合阻燃劑對熱改性橡膠木進行浸漬阻燃處理，可以改善橡膠木表面的潤濕性，不同阻燃劑之間并沒有呈現(xiàn)出顯著差異。由于硼酸/硼砂、磷酸二氫銨和磷酸氫二銨等無機阻燃劑的吸水特性，使用硼酸/硼砂、磷酸二氫銨和磷酸氫二銨處理過的木材或單板的表面接觸角減少，其潤濕性提高［15］。添加硼酸鋅、聚磷酸銨、氫氧化鎂等阻燃劑的木塑復(fù)合材也得到類似的結(jié)果［16］。韋鵬練等［17-18］在以磷酸氫二銨和氫氧化鋁復(fù)合處理桉木膠合板的表面潤濕性(接觸角)測試中發(fā)現(xiàn)阻燃處理提高了單板的潤濕性。

圖1 動態(tài)接觸角變化曲線

表1 不同測試時間下阻燃熱改性橡膠木表面接觸角均值單位：°

表2 方差分析結(jié)果

文獻及試驗結(jié)果表明，磷氮類復(fù)合阻燃劑可以改善木材的表面潤濕性。阻燃熱改性橡膠木表面潤濕性的增大，有利于膠粘劑、涂料、改性劑在木材表面的滲透和擴散。未處理與阻燃處理熱改性橡膠木的接觸角存在顯著差異，而不同阻燃劑處理之間差異并不明顯。阻燃處理可以提高熱改性橡膠木的表面潤濕性能，在使用阻燃熱改性橡膠木制作家具、木地板和表面裝飾單板時，能改善其膠合性能和涂飾性能，有利于保證其膠合質(zhì)量和使用壽命。

圖2 不同測試時間下阻燃熱改性橡膠木表面接觸角