硅溶膠改性楊木復(fù)合材料制備與性能研究

孫 珂，徐子涵，張 賀，胡洪亮

(吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

1 引言

楊木作為木質(zhì)材料之一，用途十分廣泛。在建筑領(lǐng)域上楊木一般都被加工成膠合板和纖維板[1]，同時楊木也是造紙、火柴及包裝等行業(yè)的重要材料。但是類比于像混凝土、水泥等建筑材料，楊木本身作為木材，具有易燃燒的特點。現(xiàn)如今市場上的木材阻燃材料層出不窮，但大部分阻燃材料雖然可以在一定程度上阻止木材燃燒，但這些材料在受熱時會產(chǎn)生一種有毒物質(zhì)，伴隨著火災(zāi)時的煙一同被吸入體內(nèi)，對人體造成傷害[2]。硅溶膠具有黏度低、粒徑小的特點，能夠有效滲入木材孔隙結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過凝膠、干燥后得到穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)和較高的硬度；且硅溶膠安全環(huán)保，無游離甲醛，具有較好的熱穩(wěn)定性和生物相容性，是一種很有前景的木材改性劑[3]。同時已有研究表明，相同阻燃劑對不同材料的適應(yīng)性存在顯著差異。因此，本文有針對性地提出采用硅溶膠體系對楊木進行浸漬改性。探討了不同濃度的硅溶膠浸漬體系對木材力學(xué)性能及阻燃性能的影響，并對其形成機理進行分析。

2 實驗部分

2.1 試驗材料與儀器

楊木，長春榮星木材廠；硅溶膠，科力特無機硅有限責任公司；WAW-600KN型微機控制電液伺服萬能試驗機，長春新科試驗儀器有限公司；WGL-65電熱鼓風干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；WD-9415B型超聲波清洗器，北京市六一儀器廠；電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司等。

2.2 實驗過程

將硅溶膠和蒸餾水按一定比例分別配制成硅溶膠濃度為10%、20%、30%、40%、50%的浸漬液待用。將實驗所用楊木根據(jù)木材實驗標準，通過木材加工廠經(jīng)切割、刨光等工藝后，獲得尺寸為10 mm×10 mm×100 mm,30 mm×20 mm×200 mm,20 mm×20 mm×300 mm的試樣各5組，分別用于測試氧指數(shù)、抗壓強度、抗彎強度指標。首先將其放入103 ℃烘箱內(nèi)進行絕干處理，烘干4h后開始每隔1 h稱量試塊質(zhì)量，直至烘干8h后試塊質(zhì)量幾乎不再發(fā)生變化，即可視為試塊已經(jīng)達到了絕干狀態(tài)[4]，記錄其絕干質(zhì)量W1。然后將其分別放入預(yù)制好的濃度為0%、10%、20%、30%、40%、50%的硅溶膠浸漬液內(nèi)進行常壓浸漬處理，48h后完成浸漬。將浸漬后的木材試塊再次烘干8h，記錄其絕干質(zhì)量W2。對處理后的試樣分別進行抗壓強度、抗彎強度、氧指數(shù)試驗。

3 結(jié)果與討論

3.1 水浸漬對楊木的影響

在制備硅溶膠改性木材復(fù)合材料的空白對照組實驗中，水浸漬后的木材試樣出現(xiàn)了質(zhì)量損失，其質(zhì)量比浸漬前降低了1.91%～3.09%；通過分析認為是木材中及少量多糖及原木中的K、Na碳酸鹽等無機物的溶出所造成。同時，我們測試了浸漬后楊木試塊的抗壓強度和抗彎強度，并和未經(jīng)水浸漬的原木進行比較，如圖1所示。從圖中數(shù)據(jù)可知，同未浸漬的原木相比，空白對照組的抗壓強度值下降了6.8%，抗彎強度值下降了5.9%，試驗表明水浸漬后樣品多糖等物質(zhì)的溶出使木材纖維結(jié)構(gòu)的致密性受到破壞所以導(dǎo)致木材的力學(xué)性能下降。

3.2 力學(xué)性能

通過試驗測得的抗壓強度、抗彎強度試驗結(jié)果如圖2所示，通過折線圖我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)10%、20%濃度浸漬液浸漬的木材試樣的力學(xué)性能低于蒸餾水浸漬的空白試樣，但呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長的趨勢；經(jīng)30%濃度浸漬液浸漬的木材試樣的力學(xué)性能高于原木；經(jīng)40%、50%、60%、70%濃度浸漬液浸漬的木材試樣與原木的力學(xué)性能接近。研究表明，當使用低濃度硅溶膠浸漬液浸漬木材時，浸漬液中的水會使木材中的一些無機成分和少量多糖溶出，從而導(dǎo)致了木材內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)形成了缺陷；當硅溶膠濃度較低時其溶液滲透壓較小，只有少量硅溶膠分子團的的滲入，然而由于硅溶膠分子團滲入較少，無法實現(xiàn)對纖維缺陷的補償，從而使得木材的抗壓、抗彎強度大幅下降。而隨著硅溶膠浸漬液濃度的增長，溶液滲透壓提升，硅溶膠填充纖維缺陷的能力增強，有效地改善了材料在受力過程中的應(yīng)力集中問題，這時硅溶膠分子團對整個木材結(jié)構(gòu)的抗壓、抗彎性能產(chǎn)生了一個增強作用。從而使得木材的抗壓、抗彎性能提升。當硅溶膠浸漬液濃度繼續(xù)增大，硅溶膠的含量越來越多，導(dǎo)致浸漬液的流動性變小，硅溶膠膠體粒子形成了大分子團，使得硅溶膠難以滲透到木材纖維缺陷部位；所以對木材的抗壓、抗彎強度影響較弱。

圖1 (a)蒸餾水浸漬前后后木材抗彎性能的變化(b)蒸餾水浸漬前后后木材抗壓性能的變化

圖2 (a)抗壓強度試驗結(jié)果分析(b)抗彎強度試驗結(jié)果分析

3.3 阻燃性能

硅溶膠木材試樣的氧指數(shù)實驗結(jié)果如圖3所示。硅溶膠改性楊木阻燃復(fù)合材料的氧指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當硅溶膠含量為30%、40%時材料阻燃性能最佳，氧指數(shù)為33%。主要是由于隨著浸漬液濃度的增大，進入木材內(nèi)部的硅溶膠增多，對木材的阻燃性能增強，但當其濃度超過40%時，由于硅溶膠浸漬液的膠體粒徑由小分子團分散變?yōu)榇蠓肿訄F分散結(jié)構(gòu)，造成硅溶膠的分散、滲透能力下降硅溶膠無法進入木材內(nèi)部，所以使得木材試塊整體氧指數(shù)呈現(xiàn)出下降趨勢。因此研究認為，當硅溶膠濃度為30%和40%時，試樣的阻燃性能最優(yōu)。

4 結(jié)語

本研究在常壓浸漬的條件下用硅溶膠對木材進行了改性處理。硅溶膠浸漬處理后木材試樣的阻燃效果明顯增加，不同濃度的浸漬液會對木材試樣的抗壓強度、抗彎強度產(chǎn)生不同程度的影響，其中30%的硅溶膠浸漬液對木材的各項性能提升最為明顯，可使木材的抗壓強度提升8.5%，抗彎強度提升25%，氧指數(shù)提升22%。

圖3 氧指數(shù)試驗結(jié)果分析