蔣匯川 李民 李曉文 陸全濟 李冠君 李家寧

摘 要 采用水基型磷-氮-硼復合阻燃劑，對炭化及未炭化橡膠木進行浸注處理，分析不同配方的阻燃劑對橡膠木增重率（WPG）、抗彎彈性模量（MOE）和抗彎強度（MOR）的影響。結(jié)果表明：不同配方的阻燃劑對未炭化橡膠木的增重率無顯著影響，而對炭化橡膠木的增重率有顯著影響。不同配方的阻燃劑對未炭化和炭化橡膠木的MOE和MOR均無顯著影響，但炭化橡膠木的MOE和MOR明顯低于未炭化橡膠木。

關(guān)鍵詞 橡膠木；炭化；磷-氮-硼復合阻燃劑；增重率；力學性能

中圖分類號 S781 文獻標識碼 A

Abstract The influences of different formulations of water-based fire retardants （phosphorus-nitrogen-boron） on weight percent gain （WPG） and mechanical properties （MOE and MOR） of rubber wood （untreated and heat-treated） impregnation with the fire retardants were studied. The results indicated that different formulations of water-based fire retardants had significant effects on WPG of heat-treated rubber wood， but had no significant effects on WPG of untreated rubber wood and MOE and MOR of both untreated and heat-treated rubber wood.

Key words Rubber wood；Heat-treatment；Phosphorus-nitrogen-boron fire retardants；Weight gain rate；Mechanical properties

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.05.023

橡膠樹（Hevea brasiliensis），又稱巴西橡膠樹，屬大戟科橡膠樹屬植物，原產(chǎn)于亞馬遜森林，20世紀初引入中國，是中國熱帶地區(qū)重要的經(jīng)濟作物，廣泛種植于海南島、云南省南部、廣西自治區(qū)南部及福建漳州地區(qū)。2014年，中國天然橡膠種植面積超過114.7萬hm2，居世界第3位[1]。種植橡膠樹的主要目的是獲得天然膠乳，但隨著橡膠樹產(chǎn)膠能力的下降，一般在30 a后對其進行更新采伐，更新采伐后的橡膠樹木材又成為寶貴的木材資源。目前，中國每年可更新采伐的橡膠樹原木大約在200萬m3，已成為熱帶地區(qū)出產(chǎn)的重要人工林商品材。

橡膠木木材色澤淡雅、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。近年來，筆者所在研究團隊致力于橡膠木高溫熱改性技術(shù)研究[2-7]，旨在提高橡膠木的尺寸穩(wěn)定性和耐久性。但跟其他天然木材一樣，橡膠木同屬易燃材料，在家具、木地板等裝飾裝修材料領(lǐng)域的廣泛使用，無疑增加了火災(zāi)發(fā)生的可能性，這對建筑物及木制品的使用都帶來了安全隱患。因此，必須對其進行阻燃處理，才能滿足國家《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016-2014）、《建筑內(nèi)部裝修設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50222-1995）等消防法規(guī)的要求。

目前，對橡膠木進行阻燃處理的研究報道還很少。中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所于20世紀90年代末采用自行研制的WFR阻燃劑對橡膠木膠合板進行了阻燃處理研究，阻燃處理后的橡膠木膠合板的阻燃性能達到建筑材料難燃B1級（GB 8625-88）[8-9]，對橡膠木表面霉菌有一定的防治效力[10]，對藍變菌的防治效果達100%，但吸潮性均高于未處理的普通橡膠木膠合板[11]。

木材阻燃劑的種類繁多，按含有阻燃元素或阻燃元素的組合可分為磷系、硼系、磷-氮系、磷-氮-硼系等[12]。用于木材及其木質(zhì)材料阻燃的物質(zhì)多是含P、N、B等的無機物或有機物，這類物質(zhì)有著極為優(yōu)良的阻燃和耐火性能[13]。但硼系阻燃劑由于其低溶解度，很難以水溶液的形式進入木材內(nèi)部，而單獨的P、N系無機鹽類阻燃劑析出現(xiàn)象也比較嚴重。鑒于各類阻燃劑的缺陷，現(xiàn)代實用的阻燃劑絕大多數(shù)是充分利用阻燃協(xié)同作用、含有多種阻燃元素的復合型阻燃劑。含有P-N-B的水基型阻燃體系是未來木材阻燃劑發(fā)展的主流，國內(nèi)外商用木材阻燃劑的主流產(chǎn)品基本采用水基型P-N-B阻燃體系。如美國AWPA FR-2阻燃劑[14]、Dricon阻燃劑[15]、Pyro-Guard阻燃劑（HOOVER）、Exterior Fire-X阻燃劑（HOOVER）[16]，中國的東北林業(yè)大學FRW阻燃劑[17]、北京林業(yè)大學BL阻燃劑[18]等。

鑒于此，根據(jù)AWAP P50-2010《Standard for Fire Retardant FR-2》要求，配制了3種不同配方的P-N-B復合阻燃劑，對炭化及未炭化橡膠木進行初步研究，主要分析不同配方的P-N-B復合阻燃劑對阻燃橡膠木的增重率、抗彎彈性模量（MOE）和抗彎強度（MOR）的影響，以期為橡膠木的阻燃處理技術(shù)提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

人工林橡膠樹木材（PR107，30 a生），采自海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院試驗場五隊，試材采集、鋸解按GB/T 1927～1929-2009標準進行。干燥至含水率為12%時制成300 mm×20 mm×20 mm（MOE和MOR）、20 mm×20 mm×20 mm（增重率，L×R×T）的標準徑弦向試件備用。

磷酸一銨（NH4H2PO4，MAP），工業(yè)級；磷酸二銨[（NH4）2HPO4，DAP]，工業(yè)級；聚磷酸銨[（NH4）n+2PnO3n+1，APP]，工業(yè)級；硼酸（H3BO3，BA），工業(yè)級；硼砂（Na2B4O7·10H2O，SB），工業(yè)級。

1.2 方法

P-N-B復合阻燃劑的制備：根據(jù)AWAP P50-2010《Standard for Fire Retardant FR-2》配制P-N-B復合阻燃劑。FR-2阻燃劑的化學配比要求見表1，取配比要求中的平均值，配制了3種P-N-B復合阻燃劑，均為無色澄清溶液，其pH值分別為6.4、6.7、6.6。

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，再快速升溫至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。

阻燃處理：前真空度為0.095 MPa，處理時間為15 min，浸注壓力為1.0 MPa，浸注時間為30 min。

1.3 性能測試

增重率：在本研究中增重率分為濕增重率和干增重率。濕增重率是指木材經(jīng)阻燃處理后未經(jīng)干燥而直接稱量計算的增重率。干增重率是指木材經(jīng)阻燃處理后干燥至質(zhì)量恒定后稱量計算的增重率。每個處理條件下10個試件。

力學性能：試件在20 ℃、相對濕度65%的條件下處理4周，參照GB/T 1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測定方法》和GB/T 1936.1-2009《木材抗彎強度試驗方法》進行MOE和MOR測試，每個處理條件下10個試件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配方阻燃劑處理橡膠木的平衡含水率和密度

不同配方阻燃劑處理的橡膠木的平衡含水率和氣干密度、絕干密度見表2。由表2可知，經(jīng)阻燃處理后的炭化橡膠木的平衡含水率低于未炭化橡膠木，這與此前研究經(jīng)炭化處理后橡膠木的平衡含水率明顯下降的結(jié)論一致[2-3]，主要是因為炭化過程中木材內(nèi)部發(fā)生熱降解反應(yīng)，半纖維素中的親水性基團（如羥基）減少，導致炭化材的吸濕性明顯低于未炭化材。經(jīng)阻燃處理的橡膠木的平衡含水率均高于對照未阻燃處理的橡膠木，這與所使用的是水基型阻燃劑本身具有一定的吸濕性有關(guān)。在3個不同配方中，RFR-1的平衡含水率最低。就密度而言，炭化材的氣干密度和絕干密度均低于未炭化材，而3個不同配方中，密度的差異并不顯著，這與3種阻燃劑均為FR-2水基型阻燃劑及橡膠木優(yōu)良的滲透性有關(guān)。

2.2 不同配方阻燃劑處理橡膠木的增重率

在相同的處理條件下，不同配方阻燃劑處理后的橡膠木增重率存在不同的差異。不同配方阻燃劑處理橡膠木的增重率結(jié)果見表3和圖1。從表3和圖1中可知，炭化橡膠木的濕增重率和干增重率均高于未炭化橡膠木，平均分別為99.86%和16.61%。而3種不同配方阻燃劑中，以RFR-2阻燃的浸注效果最好，增重率最高（素材的濕增重率略低于RFR-3），炭化和未炭化橡膠木的濕增重率和干增重率分別為103.58%、17.68%和90.67%、16.16%。

由統(tǒng)計分析可知，不同配方阻燃劑對未炭化橡膠木增重率沒有顯著影響，而對炭化橡膠木增重率有顯著影響。對未炭化橡膠木而言，阻燃處理后試材的平均濕增重率為90.50%，平均干增重率為15.48%，不同配方之間并沒有明顯的差異。對炭化橡膠木而言，阻燃處理后試材的平均濕增重率為99.86%，平均干增重率為16.61%。經(jīng)RFR-2阻燃劑處理后橡膠木濕、干增重率最大，分別為103.58%、17.68%，RFR-1阻燃劑增重率最小，與RFR-2、RFR-3的差異顯著?？傮w看，未炭化橡膠木和炭化橡膠木經(jīng)阻燃處理后增重率有不同程度的增加。這是因為木材阻燃處理是將阻燃劑注入木材內(nèi)部的一種物理化學過程，是阻燃劑在木材中的一種質(zhì)量流的現(xiàn)象，木材對阻燃劑的吸收量（即增重率）與木材的滲透性有著極其密切的關(guān)系。在真空加壓浸注下，阻燃劑克服木材內(nèi)毛細管流動阻力、氣-液界面張力及紋孔的阻力，實現(xiàn)了阻燃劑在木材中的滲透。在實驗中，炭化材的增重率明顯高于素材的增重率，這可能與橡膠木經(jīng)炭化處理后滲透性增強有一定的關(guān)系。

2.3 不同配方阻燃劑處理橡膠木的力學性能

在相同的處理條件下，不同配方阻燃劑處理后的橡膠木MOE和MOR測試結(jié)果見表4和圖2。由表4及圖2可知，經(jīng)阻燃處理后，炭化橡膠木的MOE發(fā)生了不同程度的下降，而MOR出現(xiàn)上升態(tài)勢。而對于未炭化橡膠木而言，阻燃處理后MOE增大，而MOR有一定程度的下降。

由統(tǒng)計分析可知，不同配方阻燃劑對未炭化和炭化橡膠木的MOE和MOR均無顯著影響。對未炭化橡膠木而言，經(jīng)阻燃處理后的試材的MOE較未處理的增大，而MOR降低（RFR-3除外）。經(jīng)阻燃處理后未炭化橡膠木的平均MOE為11 608 MPa，平均MOR為82 MPa。而對炭化橡膠木而言，經(jīng)阻燃處理后的試材的MOE較未處理的降低，而MOR增大。經(jīng)阻燃處理后未炭化橡膠木的平均MOE為8 612 MPa，平均MOR為45 MPa。炭化橡膠木的MOE和MOR較未炭化的降低。這是因為在炭化過程中，木材中的半纖維素發(fā)生了降解等熱化學反應(yīng)，導致強度下降。

3 討論與結(jié)論

木材憑借其獨特的材料性能和優(yōu)良的環(huán)境學特性被大量用于建筑、裝飾裝修等領(lǐng)域，但木材屬于易燃材料，在一定程度上限制了其使用范圍，因此對木材進行阻燃處理有著十分重要的現(xiàn)實意義[19]。木材由于其多孔特性決定了木材阻燃劑的主流品種為水溶性產(chǎn)品，鑒于目前的科技發(fā)展水平，在較長時間內(nèi)，磷-氮-硼系水基型阻燃體系是木材阻燃劑的主流[20]。許多學者也研究了磷氮硼系復合阻燃劑，主要用于木材、竹材、膠合板、刨花板等阻燃處理[21-24]。劉燕吉等[25]成功研發(fā)了WFR木質(zhì)材料系列阻燃技術(shù)，包括多功能系列阻燃劑及阻燃型木材、膠合板、刨花板和中密度纖維板的生產(chǎn)工藝，該系列阻燃劑阻燃效果好、流失性小、低毒、低污染、防腐、防霉。朱家琪等[8-9]研究了阻燃橡膠木膠合板的吸濕性、抗霉性能、阻燃性能及燃燒性質(zhì)和熱性質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)阻燃橡膠木膠合板的阻燃性能達到建筑材料難燃B1級（GB 8625-88），對橡膠木表面霉菌有一定的防治效力[10]，對藍變菌的防治效果達100%，但吸潮性欠佳，高于未處理橡膠木膠合板[11]。由于使用的WFR阻燃劑是樹脂型阻燃劑，吸潮性較普通磷-氮系阻燃劑有所改善，用該阻燃劑生產(chǎn)的板材阻燃性能和物理力學性能良好。

上述研究中雖然取得了較好的效果，并均沒有涉及阻燃橡膠木的研究。因此，本試驗根據(jù)AWAP P50-2010《Standard for Fire Retardant FR-2》對FR-2型阻燃劑化學配比要求，從影響阻燃處理橡膠木的物理力學性能的角度配制了3種不同的水基型P-N-B復合阻燃劑，主要以增重率和MOE、MOR為參考指標進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同配方的P-N-B復合阻燃劑對炭化橡膠木的增重率有顯著影響，而對橡膠木的MOE和MOR均無顯著影響，炭化橡膠木的MOE和MOR明顯低于未炭化橡膠木。從本研究結(jié)果與同行研究來看，樹脂型P-N-B阻燃劑相比單一的P-N-B阻燃劑，阻燃處理的木材物理力學性能、抗流失性和阻燃性能好，因此，樹脂型P-N-B阻燃劑仍然是木材阻燃未來主要的研究方向。

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