阻燃处理对热改性橡胶木表面润湿性的影响①

蒋汇川 陆全济 李 民 李冠君

(1中国热带农业科学院橡胶研究所/农业农村部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室/国家重要热带作物工程技术研究中心橡胶分中心 海南海口571101)

橡胶树（Hevea BrasiliensisMuell.Arg），大戟科橡胶树属植物，是我国热带地区重要的经济作物之一。2016年我国天然橡胶种植面积已超过117.73万hm2，更新面积2.5万hm2，更新后的橡胶树木材又成为宝贵的木材资源。据估算，我国每年更新的橡胶树原木超过200万m3，橡胶树木材已成为我国热带地区主要的人工林商品木材。

橡胶木材色泽淡雅、纹理均匀、密度和强度适中、加工和涂饰性能好，适宜制作家具、地板、室内装饰装修材料和建筑模板。笔者所在研究团队致力于橡胶木高效增值利用研究，主要集中在橡胶木高温热改性、阻燃处理和防腐防霉技术研究［1-7］。木材高温热改性处理能提高木材的尺寸稳定性、耐腐性能以及疏水性能。研究证实，木材表面的润湿性对木材的界面胶合质量有重要的影响。润湿性是固体界面由固—气界面转变为固—液界面的现象。木材的润湿性所表征的是液体与木材接触时，液体在木材表面润湿、铺展以及粘附的难易程度和效果，是持久胶合的必要条件，也是一种重要的界面特性［8］。根据国家《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014）和《建筑内部装修设计防火规范》（GB 50222-2017）等消防法规的要求，跟其他木质材料一样，橡胶木需要进行阻燃处理才能广泛用于家具制造、实木地板、装饰装修材料等领域。因此，研究阻燃橡胶木的表面润湿性显得十分必要。本文采用不同阻燃剂对热改性橡胶木进行处理，对阻燃处理的热改性橡胶木的表面润湿性进行分析，主要通过表面接触角的变化来说明阻燃处理对热改性橡胶木表面润湿性的影响，以期为橡胶木的高效增值利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料

试材采自海南省儋州市大成镇安成村，34年生人工林橡胶树木材(PR107)，试材采集、锯解按国家标准GB/T 1927～1929-2009进行。干燥至含水率为12%时，制成长120 mm、宽10 mm、厚10 mm规格试件，锯解前为双面砂光。

1.1.2 仪器及试剂

试验型木材热改性处理箱（0.3 m3，自制）；试验型木材浸渍处理罐(自制)；动态接触角测量仪(德国KRUSS设备公司，DSA100）。

磷酸二氢铵（MAP），工业级；磷酸氢二铵（DAP），工业级；聚磷酸铵(APP)，工业级；硼酸（BA），工业级；硼砂（BX），工业级。

1.2 方法

1.2.1 橡胶木试样热改性处理［9-11］

热处理工艺：采用芬兰ThermoWood热处理工艺。首先缓慢升温至130℃，待木材含水率降至5%以下快速升温至200℃并保持3 h。温度升至130℃时通入过热蒸汽作为保护气体，改性结束后停止加热，并适量通入冷却水降温，保持通入过热蒸汽直到温度降至130℃以下。

1.2.2 橡胶木的阻燃处理［9-11］

根据AWAP P50-2010《Standard for Fire Retardant FR-2》配比要求中的平均值配制P-N-B复合阻燃剂(20%，质量分数)FRRW1、FRRW2和FRRW3，复合阻燃剂pH值分别为6.4、6.7和6.6。将配制好的复合阻燃剂溶液对炭化橡胶木进行真空加压浸渍处理。前真空度为0.08 MPa，处理时间为15 min，浸注压力为1.0 MPa，浸注时间为30 min。

1.2.3 试样调制

所有试样在恒温恒湿（20℃，65%RH）的环境中调制14 d，放置时上下表面悬空，均与大气接触。

1.2.4 橡胶木表面接触角测试［12］

在恒温恒湿(20℃，65%RH)条件下测试橡胶木的表面接触角，测试介质为蒸馏水，每个处理水平测试2个试样，每个试样重复测试2次。试验每次注射液滴3 μL，以液滴脱落针尖时计时，每80ms读取一次液滴左右接触角平均值，测试至30 s，共测试376个点。

1.2.5 数据处理与分析

采用数据统计分析软件R 3.53和Origin 9.0进行数据处理和分析。

2 结果与分析

不同阻燃剂处理热改性橡胶木的表面表面接触角测试结果见图1。图中的每条曲线代表一个测试点的变化。由于橡胶木的表面是亲水的，从图1可以看到，当蒸馏水滴至木材表面后，接触角一直下降。对阻燃热改性橡胶木而言，5 s以后木材表面接触角的平均值在30°(FRRW2为31.10°)以下，与初始值相比较，不同阻燃剂处理的木材表面接触角分别下降51.08°、43.08°、57.30°，平均下降50.49°(表1)。未处理和处理橡胶木表面接触角均在10 s内曲线骤然下降后趋于平缓。未处理与阻燃热改性橡胶木的表面接触角变化趋势是一致的。由方差分析(表2)和图2可知，阻燃处理对热改性橡胶木的表面接触角的大小有显著影响，但不同阻燃剂处理对橡胶木表面接触角无显著影响，接触角大小比较接近，并无明显的增大或减少，这说明不同阻燃剂处理并没有影响热改性橡胶木的表面接触角的变化。

3 讨论与结论

木材的润湿性是指液体(水、胶粘剂、涂料等)与其接触时，在其表面润湿、流展以及黏附的性能。润湿性的大小是以液滴在木材表面上形成的接触角(θ)或接触角的余弦(cosθ)的大小来表征。接触角越大，表明木材的表面润湿性越差。润湿性是木质材料的一项重要性质，润湿性的高低对木材的胶合、涂饰、改性处理等有重要影响。研究已证实，高温热改性处理能够提高木材的疏水性能，热改性木材的润湿能力降低［13-14］。通过试验发现，采用磷氮硼复合阻燃剂对热改性橡胶木进行浸渍阻燃处理，可以改善橡胶木表面的润湿性，不同阻燃剂之间并没有呈现出显著差异。由于硼酸/硼砂、磷酸二氢铵和磷酸氢二铵等无机阻燃剂的吸水特性，使用硼酸/硼砂、磷酸二氢铵和磷酸氢二铵处理过的木材或单板的表面接触角减少，其润湿性提高［15］。添加硼酸锌、聚磷酸铵、氢氧化镁等阻燃剂的木塑复合材也得到类似的结果［16］。韦鹏练等［17-18］在以磷酸氢二铵和氢氧化铝复合处理桉木胶合板的表面润湿性(接触角)测试中发现阻燃处理提高了单板的润湿性。

图1 动态接触角变化曲线

表1 不同测试时间下阻燃热改性橡胶木表面接触角均值单位：°

表2 方差分析结果

文献及试验结果表明，磷氮类复合阻燃剂可以改善木材的表面润湿性。阻燃热改性橡胶木表面润湿性的增大，有利于胶粘剂、涂料、改性剂在木材表面的渗透和扩散。未处理与阻燃处理热改性橡胶木的接触角存在显著差异，而不同阻燃剂处理之间差异并不明显。阻燃处理可以提高热改性橡胶木的表面润湿性能，在使用阻燃热改性橡胶木制作家具、木地板和表面装饰单板时，能改善其胶合性能和涂饰性能，有利于保证其胶合质量和使用寿命。

图2 不同测试时间下阻燃热改性橡胶木表面接触角