分子筛对聚磷酸铵处理杨木吸湿性与阻燃性能的影响

王晓蒙 王明枝 李 黎

(北京林业大学木质材料科学与应用教育部重点实验室，北京 100083)



分子筛对聚磷酸铵处理杨木吸湿性与阻燃性能的影响

王晓蒙 王明枝 李 黎

(北京林业大学木质材料科学与应用教育部重点实验室，北京 100083)

在不同处理条件下，进行分子筛(4A型与13X型)对木材阻燃剂聚磷酸铵(APP)处理试件的载药量、吸湿性、氧指数的影响试验。结果表明，随着APP浓度的升高，处理材的载药量、吸湿率与氧指数均呈上升趋势；分子筛在增大木材载药量的同时可降低其吸湿率；20%的APP与2%的4A分子筛复配溶液处理杨木单板的载药量最高，为51.11 kg/m3；2种分子筛使木材的吸湿率降低了14%～18%；浓度为15%的APP处理木材的氧指数为48.7%，加入2%的4A或13X分子筛后，杨木单板的氧指数分别为41.5%与46.7%，均达到难燃B1级材料的氧指数标准。

杨木；聚磷酸铵；分子筛；吸湿性；氧指数

木材是一种可再生的绿色环保材料，因其具有良好的视觉、触觉、调温调湿等特性而被广泛应用于建筑、装饰等领域[1]。但是木材固有的易燃性给人类带来安全隐患的同时，也限制了其在更多领域的应用发展。因此，对木质材料的阻燃处理具有重要的社会效益与经济效益[2-3]。

聚磷酸铵是目前常用的木材阻燃剂，因其具有阻燃效果明显、污染少且价廉等优点，广泛地应用于木材以及其他纤维素类可燃材料的阻燃处理[4]。该类阻燃剂自身的结构及组成决定了其具有水溶性的同时也具有一定的吸湿性。随着处理材含水率的增大,无机物阻燃剂会吸收水分而溶解并逐渐流失,缩短自身的使用寿命。阻燃处理后木材的载药量越高，阻燃的有效成分越多，阻燃效果越好[5]。但木材的吸湿性对载药量有很大影响，尤其对水基型木材阻燃剂本身使用寿命以及阻燃处理材后期加工性能、使用性能均有不利影响[6-8]。

分子筛是由SiO2和Al2O3四面体通过氧桥连接而成的晶体硅铝酸盐，具备的孔径可吸附聚合物中的小分子，防止低聚物迁移到木材表面，减少其对吸湿性的影响[9-10]。本试验以聚磷酸铵为阻燃剂，选用不同阻燃剂浓度与分子筛类型(4A型与13X型)，研究不同处理条件对杨木载药量、吸湿率及氧指数的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器设备

杨木(Populusspp.)单板，厚度2.5 mm，含水率6%～8%。聚磷酸铵(APP)，购于北京市津同乐泰化工产品有限公司。分子筛(4A型与13X型)，购于上海久宙化工产品有限公司。

电热恒温鼓风干燥箱、恒温恒湿箱、分析天平、氧指数测试仪。

1.2 阻燃剂溶液配制

阻燃剂溶液配方见表1。

表1 阻燃剂配方

根据表1中的比例进行阻燃剂溶液的配制。在美国标准ASTM E84《建筑材料表面燃烧性能的测定方法》中，规定木材阻燃剂载药量≥50 kg/m3，但我国没有相关标准，通常也要求载药量≥30 kg/m3[11]。根据1～5组前期试验结果，当APP浓度为15%与20%时，杨木单板载药量均达到 30 kg/m3以上，因此，将2%的分子筛加入APP浓度为15%和20%的溶液中进行复配。

1.3 试验方法

按ASTM D3201-2003的测试要求[12]，载药量与吸湿性试验试件尺寸均为120 mm×120 mm，取质量恒定的杨木单板试件，在常温常压下将其浸渍在配置好的阻燃剂溶液中。每组取8块试件做平行试验，试验时上方放置重物，防止浸渍时试件漂浮，浸渍时间为3 h。

1.4 载药量计算

按ASTM D3201-2003的测验要求[12]，将已经浸渍处理的试件置于温度(25±2)℃、相对湿度30%～65%的环境中放置7 d，称其质量，计算载药量。

式中：M为载药量，kg/m3；M1为浸渍前试件质量恒定后的质量，kg；M2为浸渍后试件质量恒定后的质量，kg；V为试件体积，m3。

1.5 吸湿性计算

按ASTMD3201-2003的测试要求，将浸渍后的试件置于温度(27±2)℃、相对湿度(92±2)%的环境中放置7d，称其质量；之后将试件在温度(103±2)℃的烘箱中烘至恒质量，计算木材的吸湿率、吸湿比。

式中：W为吸湿率，%；M3为吸湿后试件的质量，g；M4为吸湿后烘至绝干试件的质量，g。

式中：R为吸湿比；W为阻燃处理后试件的吸湿率，%；W0为空白试件的吸湿率，%。

1.6 氧指数计算

氧指数试件尺寸为150.0mm×10.0mm× 2.5mm，浸渍处理工艺与1.4相同。根据GB2406—2009《塑料燃烧性能试验方法：氧指数法》[13]，测试夹夹住木材试件的下端，从试件的宽面上距点火端50mm处划一标线。将试样垂直固定在燃烧筒中，使氧氮混合气流由下向上流过，用点火器点燃试样顶端，同时记时和观察试样燃烧长度，与所规定的数据相比较。

试件燃烧时间规定为3min。当试样的燃烧时间超过3min或火焰前沿超过标线时，降低氧浓度；试件的燃烧时间不足3min或火焰前沿不到标线时，则增加氧浓度。经反复测试，测定试件氧指数。

2 结果与分析

阻燃处理杨木单板的载药量、吸湿性与吸湿比测定结果见表2。

表2 阻燃处理杨木单板的载药量、吸湿性与吸湿比

2.1 载药量

2.2 吸湿性

木材的吸湿性会影响木材的装饰性能和阻燃性能。由表2可知，随着APP浓度的升高，杨木单板的吸湿率与吸湿比均呈上升趋势。未经处理的杨木单板吸湿率为22.12%，经20%的APP处理后单板的吸湿率为45.24%，吸湿比为2.05。这是因为APP中的氨基有较大的极性能，可与水分子形成分子间氢键，在水中的溶解度较大，造成木材的吸湿性也较大[6-8]。

APP浓度为15%时，载药量为34.44 kg/m3，杨木单板的吸湿比为1.73，加入分子筛后，载药量增加至43.33 kg/m3与42.50 kg/m3，但吸湿比分别降低至1.44与1.48。APP浓度为20%时，分子筛的加入同样使木材的吸湿比降低了15%与18%。说明分子筛对降低阻燃木材的吸湿性有很好的效果。这是因为分子筛具备的孔径可吸附聚合物中的小分子，防止氨基等小分子迁移到木材表面，减少其对吸湿性的影响。

2.3 氧指数

为了测试分子筛对木材阻燃性能的影响，对不同处理的杨木单板进行氧指数测试。从表2可以看出：试件氧指数随载药量的提高呈增加趋势。15%的APP处理木材后，木材的载药量为34.44 kg/m3，氧指数为48.7%；加入2%的4A或13X分子筛后，木材的载药量提高至43.33 kg/m3与42.5 kg/m3，但氧指数分别下降到41.5%与46.7%。载药量增加但氧指数降低的原因，可能是一部分分子筛吸附了APP中的氨基等小分子，改变了木材吸附阻燃剂的成分比例。

分子筛的加入在提高试件载药量的同时降低了吸湿性，虽然APP浓度为15%与20%的阻燃剂溶液中加入分子筛后，氧指数略有下降，但杨木单板的氧指数均能达到难燃B1级材料的标准。因此，分子筛可用于木材阻燃。

3 结 论

1) 杨木单板的载药量随着APP浓度的升高而增加。APP浓度为15%和20%时，试件的载药量分别为34.44 kg/m3和43.06 kg/m3，均达到我国通常要求≥30 kg/m3的有效载药量。APP溶液中加入4A或13X分子筛均可提高杨木单板的载药量，在APP浓度为20%的溶液中加入2%的4A分子筛，杨木单板的载药量达到最高值(51.11 kg/m3)，达到美国标准ASTM E84要求。

2) 杨木单板的吸湿率与吸湿比均随着APP浓度的升高而增大，20%的APP处理杨木单板的吸湿比最大，为2.05。在APP溶液中加入2%的4A或13X分子筛使杨木单板的吸湿率降低了14%～17%。

3) 杨木单板的氧指数随APP浓度的升高呈增加趋势。阻燃剂溶液中加入分子筛后，试件的氧指数略有下降。APP浓度≥10%时，杨木单板的氧指数均能达到难燃B1级材料的氧指数标准。

[1] 李坚．木材的阻燃处理[J]．中国木材，1991，12(5)：36-39．

[2] 王清文．木材阻燃工艺学原理[M]．哈尔滨：东北林业大学出版社，2000．

[3] 欧育湘，李建军．阻燃剂:性能、制造及应用[M]．北京：化学工业出版社，2008．

[4] 鲍治宇，董延茂．膨胀阻燃技术及应用[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005．

[5] 蒋明亮，刘秀英．FR-1阻燃处理材的吸湿性与野外耐腐性[J]．木材工业，2002，16(4)：18-19．

[6] 赵大伟，徐忠勇，蒲黄彪，等．石蜡乳液浸渍云南松的燃烧性能及吸湿吸水性研究[J]．西南林业大学学报，2014，34(3)：95-99．

[7] 张新立，朱春玲，李引擎．水基型阻燃处理剂吸湿性能的研究[J]．消防技术与产品信息，1998(2)：26, 28-29, 27．

[8] 孙莹莹，程康华．三乙醇胺对木材阻燃剂的阻燃效果和吸湿性的影响[J]．林产化学与工业，2012，32(2)：145-148．

[9] 王明枝，孙文婧，姬海平，等．4A分子筛对阻燃胶合板性能的影响研究[J]．木材加工机械，2012，34(3)：14-16．

(责任编辑 曹 龙)

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

国家林业公益性科研项目(201204704)资助。

王明枝(1979—)，女，博士，讲师。研究方向：木材保护与改性。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：王晓蒙(1990—)，女，硕士生。研究方向：木材改性。Email：1003995201@qq.com。