红外光谱技术在阻燃木材热分解过程中的分析应用

汪浩明

(苏州市质量技术监督综合检验检测中心，江苏 苏州 215133)

红外光谱技术在阻燃木材热分解过程中的分析应用

汪浩明

(苏州市质量技术监督综合检验检测中心，江苏 苏州 215133)

采用红外光谱技术检测分析了木材阻燃处理前后及其在不同温度热处理条件下木材化学基团的变化。

红外光谱；热处理；木材阻燃；化学基团

木材燃烧过程实质上是木材主成分化学反应的过程，木材受到热作用热分解后释放出的化合物数量高达数百种，最终残留下炭和无机矿物质[1]。木材阻燃机理是通过化学手段来改变木材主成分的热分解过程，减少可燃性气体的释放量，使燃烧残留物增加。其中，受热温度、受热时间和气体氛围等条件直接影响木材化学成分的变化过程[2-3]。因此，掌握经阻燃剂处理后的木材在热处理时化学成分及其基团的反应过程，对研究和分析阻燃剂的阻燃效果及其机理具有相当重要的意义。本试验通过检测分析木材及阻燃处理材经过热处理后其各自燃烧残留物的红外光谱对照图，研究了木材经不同阻燃剂处理及在不同热处理温度条件下其化学基团的变化，揭示了阻燃剂影响木材燃烧的机理，为今后寻找高效、新型的阻燃剂提供理论依据。

1 试验材料、设备及方法

1.1 试验材料

木材试样：樟子松(pinaceae.sylvestrisvar.mongolicaLitv.)，尺寸规格为100 mm×100 mm×20 mm，产自黑龙江。

阻燃试剂：固体粉末状，主要成分为(NH4)2HPO3，含量≥98%，购于上海维塔化学试剂有限公司。

1.2 试验设备

傅立叶变换红外光谱仪：型号Nicolet 380，扫描次数126次，分辨率4 cm-1。

箱式电阻炉：型号SX2-512，最高温度可达1 000 ℃。

1.3 试验方法

(1)阻燃处理：将木材试样用质量分数为16.7%的(NH4)2HPO3水溶液浸渍处理24 h，取出后在70 ℃的温度下干燥1 h，然后在常温条件下放置7天，使其含水率保持在8%左右。

(2)研磨木粉：将经阻燃处理及未经阻燃处理的木材试样分别用植物原料粉碎机研磨成木粉，并保证其全部可通过100目标准筛。

(3)热处理：用箱式电阻炉分别对经阻燃处理及未经阻燃处理的木粉在不同温度下进行加热处理，热处理温度分别为200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃。

(4)红外光谱检测：取适量经阻燃处理及未经阻燃处理的木粉，在不同温度下热处理后放在傅立叶变换红外光谱仪的分光光度计锗晶片上进行测定，然后根据其红外光谱图进行分析。

2 试验结果与分析

阻燃处理前后木粉的红外光谱变化如图1所示。

图1 阻燃处理前后木粉的红外光谱图

不同温度热处理条件下木粉的红外光谱变化如图2所示，阻燃处理木粉在不同温度热处理条件下的红外光谱变化如图3所示。

图2 不同温度热处理条件下木粉的红外光谱变化

图3 阻燃处理木粉在不同温度热处理条件下的红外光谱变化

由图中可以看出，在200 ℃热处理条件下，木粉的红外光谱图在3 100～3 600 cm-1处的吸收峰减弱，这是因为水分子中的O-H键减少，因为在此温度下木粉只发生轻微的脱水作用，并未发生热降解。而由图3可以看出，经过阻燃处理的木粉经200 ℃高温处理后，其O-H吸收带在红外光谱图中显示3 100～3 600 cm-1处的减弱明显，这表明脱水反应对于阻燃处理后的木粉来说变得非常容易进行；在1 737 cm-1处吸收峰也减弱，O-H键吸收峰明显减弱，乙酰基不可见，表明这时已发生了脱水作用和热分解作用，进一步脱去乙酰基，热降解作用已较弱，阻燃剂对木材的处理使得木粉开始分解的温度降低得到了证实。另据观察，200 ℃高温处理后木粉的颜色变为棕色。

在300 ℃高温处理时，经阻燃处理和未经阻燃处理的木粉外观都已经变为黑色。饱和醚键(糖苷键)及羟基的吸收大大减弱，表明此时脱水已经结束，饱和C-H键明显减弱，说明糖类的热降解已经开始[4-5]。

热处理温度逐渐升高，红外光谱图显示来自羧酸的C=O基团在1 720 cm-1处的吸收带开始变强，来自磷酸氢二铵的P=O 基团在1 250 cm-1处的吸收带则没有什么变化；而木粉在阻燃处理后C=O基团在1 720 cm-1处没有明显变化，P=O 基团在1 250 cm-1处吸收带显著增强，这说明来自羧酸的C=O基团被磷系阻燃剂所抑制，减慢了燃烧分解反应，并使来自磷酸氢二铵的P=O基团增多，抑制了火焰，原因是P=O基团与火焰区域中的氢原子结合。经过阻燃处理木粉中来自于芳香族苯环骨架中的共轭基C=C在1 590 cm-1处吸收带加强，来自于芳香族醛，酮的C=O减弱；而这种变化在未经阻燃处理的木粉红外光谱图上则没有体现。这表明与未经阻燃处理的木粉相比，阻燃处理木粉中C=O化合物受热失水变为C=C键的过程更加明显；也说明阻燃处理木粉中含C=C的化合物生成速度快，热降解时间缩短，成炭率高，且阻燃处理木粉糖类降解完成速度快于未经阻燃处理的木粉。

上述试验结果表明，要实现阻燃效果，木材可以通过阻燃化学试剂浸渍处理，使热分解、热降解过程得以改变，从而在燃烧炭化的各个层次中均形成了更多的炭质物质，使其成炭率变得更高，有效地降低燃烧过程中的热释放，从而抑制燃烧。

3 结论

通过对阻燃处理前后的木粉进行不同温度条件下的热处理，并利用红外光谱技术对其进行检测分析，结果表明阻燃处理前后木粉的红外光谱图不同，随着热处理温度的升高两者的红外光谱图变化趋势也不同。

(1)阻燃处理后，阻燃剂中铵基的N-H伸缩振动使木粉在波数3 100～3 600 cm-1处变化明显，吸收峰增强，说明(NH4)2HPO3中的N-H与木粉纤维内游离羟基的物理化学作用已经发生；1 500～1 750 cm-1这段波数的吸收峰减弱，说明阻燃处理后去除了木粉表面的脂肪酸等抽提物。

(2)从吸收峰对应化学基团的微观角度分析可知，与未经阻燃处理的木粉相比，阻燃处理木粉热降解时间缩短，成炭率提高，糖类降解完成速度也有所加快。

[1] 刘燕吉.木质材料燃烧性能检测方法及有关法规[J].木材工业，1997(3)：33-36.

[2] 骆介禹.木材阻燃的概况[J].林产工业，2000，27(2)：7-9.

[3] 王惠芸，曹平祥，王俊，等.阻燃重组木的研究分析[J].森林工程，2016，32(3)：48-52.

[4] 类成帅，沈隽，王高超.阻燃杨木胶合板挥发性有机化合物释放研究[J].森林工程，2014，30(2)：43-47.

[5] 郭强，马岩，吴哲，等.木材激光烧蚀设备总体结构设计[J].林业机械与木工设备，2015，43(2)：18-21.

(责任编辑 张雅芳)

Analysis and Application of Infrared Spectrum Technology in theThermal Decomposition Process of Flame-retardant Wood

WANG Hao-ming

(Suzhou center of Product Quality Supervision and Inspection，Suzhou Jiangsu 215133，China)

Infrared spectrum technology is used to analyze the changes before and after wood fire-retardant treatment and the changes in wood chemical groups under thermal treatment conditions at different temperatures.

infrared spectrum；thermal treatment；wood fire-retardant；functional group

2016-09-14

汪浩明(1981-)，男，工程师，硕士，主要从事家具及人造板方面的检测和研究，E-mail：wanghaoming_1981@126.com。

TS612

A

2095-2953(2017)01-0026-03