SiO2/APP復合凝膠在木材中的原位生成及其阻燃抑煙特性

夏燎原，吳義強，李賢軍，胡云楚，黃瓊濤

(1. 中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院， 長沙 410004； 2. 中南林業(yè)科技大學 理學院， 長沙 410004;3. 廣東宜華木業(yè)股份有限公司，廣東 汕頭 515834)

?

SiO2/APP復合凝膠在木材中的原位生成及其阻燃抑煙特性

夏燎原1，吳義強1，李賢軍1，胡云楚2，黃瓊濤3

(1. 中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院， 長沙 410004； 2. 中南林業(yè)科技大學 理學院， 長沙 410004;3. 廣東宜華木業(yè)股份有限公司，廣東 汕頭 515834)

采用高強度微波對木材進行預處理提高其滲透性能，通過加壓浸漬將不同質(zhì)量比的硅源前驅(qū)物和聚磷酸銨(APP)混合液引入到木材的孔道中，經(jīng)過后續(xù)的縮合和干燥處理，在木材孔道中原位生成了SiO2/APP復合凝膠。采用電子掃描電鏡(SEM)和錐形量熱儀等測試手段，考察了該復合凝膠在木材中形成、燃燒過程中的協(xié)同阻燃、煙氣轉(zhuǎn)化和抗流失性能的影響。測試結(jié)果表明，木材中原位生成的SiO2/APP復合凝膠具有優(yōu)異的阻燃和抑煙性能。其中，硅源前驅(qū)物與APP溶液質(zhì)量比為1∶8處理試樣點燃155s后熄滅，且其總熱釋放量下降了93.6%，總煙釋放量和CO平均釋放量分別降低了61.6%，53.9%；質(zhì)量比為1∶9的試樣在實驗條件下30min點不燃，表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性。通過比較阻燃處理木材在抗流失實驗前后的阻燃性能，結(jié)果表明該復合凝膠可改善阻燃木材的抗流失性，從而提高木材阻燃時效。

木材阻燃；復合凝膠；原位生成；抑煙減毒

0　引　言

木材具有無毒無害、綠色環(huán)保和可再生等許多獨有的特點而廣泛應用于建筑、家具和室內(nèi)裝飾，與我們的生活密切相關(guān)。但是未經(jīng)阻燃處理的木材易燃，燃燒時會釋放出大量的熱能，加速了火的蔓延和火災強度。因而，近年來世界各國都對木材的阻燃處理給予極大的重視[1-3]。然而，阻燃處理往往導致材料在火災中釋放更多的煙霧毒氣。其中，CO中毒又是火災中導致人員傷亡的主要原因，這是由于阻燃劑作用會使木材及其熱解產(chǎn)物不完全燃燒所致。因而，木材阻燃過程中的抑煙和減毒日益引起了科研人員的關(guān)注[4-6]。

目前，實木的阻燃處理主要通過表層涂覆或者浸漬阻燃劑。比較而言，采用表面涂覆阻燃層不僅會影響木材的裝飾性，而且阻燃效果有限，達不到阻燃要求。而浸漬阻燃處理存在的問題是難以將阻燃劑有效引入木材和長久保留在木材的內(nèi)部，從而導致阻燃效果不佳和時效短。 這是由于木材浸漬阻燃處理多采用水溶性無機鹽類阻燃劑(如聚磷酸銨，APP)，因而在潮濕環(huán)境易溶于水而流失或遷移到材料表面，從而影響實木材的阻燃效果和裝飾性。然而，目前的研究主要集中在防腐木材抗流失方面，對于阻燃木材的抗流失關(guān)注不夠?，F(xiàn)階段阻燃木材抗流失大多采用無機阻燃劑或者氨基樹脂型阻燃劑來提高其抗流失性[7-8]，雖然一定程度上改善了阻燃劑抗流失性，但存在阻燃功能單一、價格貴等不足。

SiO2凝膠是一種輕質(zhì)納米多孔性非晶態(tài)材料，具有多孔結(jié)構(gòu)、密度低、熱傳導率低和比表面積大等特點；利用這些特殊性能，SiO2凝膠可應用于耐火隔熱、保溫隔音和催化載體等領(lǐng)域[9-10]。為此，本文采用高強度微波對木材進行預處理，改變木材內(nèi)部的微觀構(gòu)造，在木材內(nèi)形成新的流體通道，從而提高木材的滲透性。然后通過浸漬處理將不同質(zhì)量比的硅源前驅(qū)物與APP的混合液引入到木材的細胞組織中，經(jīng)過后續(xù)的縮合和干燥處理，在木材孔道中原位生成了SiO2/APP復合凝膠，將阻燃劑與SiO2凝膠原位復合，不僅有效的解決了實木浸漬阻燃液難以引入和單一阻燃劑APP煙氣多、易流失等問題，實現(xiàn)了實木的高效阻燃和抑煙，這對于拓展木材的應用領(lǐng)域和減少火災造成財產(chǎn)損失和人員傷亡具有重要的意義。

1　實　驗

1.1主要原料

正硅酸乙酯(TEOS)、鹽酸(HCl)、磷酸(H3PO4)、無水乙醇(C2H5OH)均為分析純，購置上海國藥集團；聚磷酸銨(APP，聚合度n<10)：工業(yè)級，四川長豐化工有限公司；楊木：木材市場，自處理加工。

1.2試樣處理

1.2.1試樣加工

先采用常規(guī)干燥室將楊木濕材(長1 000mm，寬150mm，厚30mm)干燥至含水率為45%，再利用高強微波預處理設(shè)備(MDF-N40型，中南林業(yè)科技大學與長沙隆泰微波熱工有限公司共同研制)對上述楊木鋸材進行微波膨化處理，微波膨化處理的溫度控制在145 ℃，微波預處理的時間控制在20s；然后采用常規(guī)干燥室將上述經(jīng)過微波膨化預處理后的楊木鋸材干燥到含水率為12%，加工為100cm×100cm×10cm的試樣，選取相同位置試樣阻燃處理。

1.2.2浸漬液配制

首先配制質(zhì)量百分比為30%的APP水溶液，并用H3PO4調(diào)節(jié)溶液的pH值約為6，待用。按摩爾比為1∶2∶6依次加入硅源TEOS、無水乙醇、H2O，攪拌均勻后加入鹽酸溶液調(diào)節(jié)混合溶液的pH值約為6，繼續(xù)攪拌1h，配制成硅源前驅(qū)物。接著將硅源前驅(qū)物與APP溶液按質(zhì)量比分別為1∶7，1∶8和1∶9混合，攪拌均勻，即可得到APP與硅源的水解產(chǎn)物的均一溶膠型浸漬液，密封備用。

1.2.3浸漬處理

將步驟1.1.1經(jīng)過預處理后的木材稱重(記為W1)后，置于浸漬罐內(nèi)，密封。將浸漬罐抽真空至0.01MPa，然后注入適量的步驟1.2.2配制好的浸漬液，真空負壓浸漬2h，然后放空，接著加壓至1.2MPa，繼續(xù)浸漬2h。然后置于質(zhì)量分數(shù)為3%的氨水和乙醇混合液中浸漬0.5h，轉(zhuǎn)移置通風處自然晾干，即可得到試樣，稱重(記為W2)。每次實驗重復3次，并按照下式計算試樣增重百分比，取平均值

對應的試樣編號為s-1∶7、s-1∶8、s-1∶9。其中，空白樣品命名為s-blank，APP溶液處理試樣命名為s-APP，硅源前驅(qū)物處理試樣命名為s-SiO2。

1.3抗流失實驗

阻燃劑的抗流失性測定[8]，取阻燃處理后的試樣分別置于500 mL燒杯中，加入400 mL去離子水，試樣完全被浸沒，室溫下浸漬48 h，每隔24 h更換一次去離子水。 然后取出試樣，烘干至質(zhì)量恒定，計算質(zhì)量損失率。每次實驗重復3次，取平均值。 對應的樣品編號記為s-1∶7#、s-1∶9#、s-APP#。

1.4表征方法

阻燃性能測試采用Stanton Redcroft錐形量熱儀，參照ISO5660-1標準，輻射強度為50 kW/m2(材料表面溫度約為760 ℃)對樣品進行測試, 每組樣品平行測量2次，取平均值。實驗參數(shù)由儀器自動記錄或計算，獲得熱釋放速率(HRR)、總熱釋放量(THR)、總煙釋放量(TSP)、CO平均釋放量(m-COY)、CO2平均釋放量(m-CO2Y)、點燃時間(TTI)等參數(shù)；采用數(shù)碼照相和Quantan-450型掃描電子顯微鏡(SEM)對復合凝膠的表觀和微觀形貌進行分析，測試之前對試樣表面進行噴金處理。阻燃樣板的組份比及其錐形量熱測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　阻燃樣板的組份比及其錐形量熱測試數(shù)據(jù)

注：a質(zhì)量比不同的硅源前驅(qū)物與APP浸漬液處理后的樣品和抗流失實驗樣品；b“—”表示樣品經(jīng)過30 min點火不燃；c樣品經(jīng)過阻燃處理后的質(zhì)量增加百分比。

2　結(jié)果與討論

2.1復合凝膠的形貌分析

圖1為不同質(zhì)量比的硅源前驅(qū)物與APP溶液混合的浸漬液經(jīng)過常壓逐步干燥后得到的復合凝膠的表觀形貌?？梢钥闯觯敼柙辞膀?qū)物與APP溶液質(zhì)量比為1∶7和1∶8時形成了近似透明的淺黃色塊狀復合凝膠(圖1(a)、(b))。

圖1　不同質(zhì)量比浸漬液和APP溶液經(jīng)過常壓干燥后的復合凝膠數(shù)碼照片

當硅源前驅(qū)物與APP溶液質(zhì)量比繼續(xù)增加為1∶9時，復合凝膠的顏色略微變深且有少量的白色顆粒析出(圖1(c))，這可能為干燥濃縮過程中析出的APP；而單獨的APP溶液干燥之后得到的只是白色粉末狀物質(zhì)(圖1(d))。這表明硅源前驅(qū)物與APP混合液的質(zhì)量比為1∶9仍可得到SiO2/APP復合凝膠，但APP質(zhì)量比過高在干燥縮合過程中會析出，不利于復合凝膠的形成。

為了更加直觀的了解復合凝膠阻燃劑在木材中的微觀形貌，采用掃描電鏡對阻燃試樣的微觀結(jié)構(gòu)分別進行了表征。如圖2(a)所示，經(jīng)APP處理過的楊木試樣的孔道中分散著大量的白色顆粒物質(zhì)(圖2(a)，箭頭所示)。這是由于APP浸漬液在后續(xù)的干燥過程中隨著溶劑揮發(fā)而不斷濃縮，導致APP逐漸結(jié)晶析出而形成。相應選區(qū)的EDX譜圖(圖2(a))的P、N元素的特征峰的出現(xiàn)，也證實了該白色的顆粒為APP析出產(chǎn)物。

圖2APP溶液、硅源前驅(qū)物和APP溶液質(zhì)量比為1∶8的浸漬液處理后的阻燃試樣的SEM圖和相應的EDX譜圖

Fig 2 The SEM images of different samples and their corresponding EDX spectra

比較而言，采用硅源前驅(qū)物與APP溶液質(zhì)量比為1∶8的混合浸漬液處理后的木材的導管、紋孔和細胞間隙之間中均填充了大量的塊狀物(圖2(b)，箭頭所示)，這是因為混合浸漬液經(jīng)過后續(xù)的縮合和干燥形成了SiO2/APP復合凝膠。這與前文的復合凝膠表觀形貌分析結(jié)果相一致，相應選區(qū)EDX圖譜(圖2(d))的Si、P元素的特征峰也證實了SiO2/APP復合凝膠存在。這也側(cè)面解釋了經(jīng)過硅源前驅(qū)物與APP混合溶液阻燃處理的試樣具有更好的阻燃和抗流失性，這是因為木材細胞腔中填充的復合凝膠不僅可以起到良好的隔熱隔氧作用，而且復合凝膠對APP起到類似包覆和固定作用，從而可以有效的防止APP流失。

2.2阻燃性能與煙氣行為分析

點燃時間TTI 是指木材表面產(chǎn)生有焰燃燒所需要的持續(xù)點火時間。通常，TTI值越大表明材料在實驗條件下越難點燃，其阻燃性愈好[11]。如表1，隨著浸漬液中硅源水解產(chǎn)物與APP溶液質(zhì)量比的增大，阻燃處理木材的TTI值逐漸增加，較未阻燃試樣(s-blank)的21 s有了明顯改善；當質(zhì)量比為1∶9時，阻燃試樣不能點燃，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐點燃性能。這主要歸因于在阻燃性能上APP起主導作用，因而隨著APP的質(zhì)量比增加表現(xiàn)出更加優(yōu)異的阻燃作用。

熱釋放速率(HRR)表示單位時間內(nèi)燃燒反饋給材料單位面積的熱量多少，是表征火災強度的重要參數(shù)之一。圖3(a)為未阻燃試樣和經(jīng)過不同質(zhì)量比的硅源前驅(qū)物與APP浸漬液處理后的試樣HRR曲線，可以看出經(jīng)阻燃處理試樣的HRR曲線均有明顯的改變。其中，質(zhì)量比為1∶7浸漬液處理后的試樣與未阻燃試樣(s-blank)的HRR曲線呈現(xiàn)相似的M形趨勢，但HRR曲線和峰值都明顯降低，這表明其對木材具有較好的阻燃效果。隨著浸漬液中APP的質(zhì)量比增加，試樣表現(xiàn)出來越來越優(yōu)異的阻燃性能，試樣s-1∶8點燃155 s后試樣就熄滅；當硅源前驅(qū)物和APP質(zhì)量比增大為1∶9，試樣s-1∶9在實驗條件下30 min不能點燃，表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性能。這與前文的TTI分析結(jié)果相一致。

由圖3(b)可以看出，經(jīng)阻燃處理后試樣燃燒時的總熱釋放量(THR)曲線與HRR曲線呈現(xiàn)的規(guī)律一致，其THR值大幅度減小，其中阻燃試樣s-1∶8的THR值為未阻燃試樣s-blank的6.33%，這表明木材中原位生成的SiO2/APP復合凝膠具有優(yōu)異的阻燃性能。相比APP阻燃試樣s-APP而言，阻燃試樣s-1∶9質(zhì)量增重率更小(28.20%)，但其阻燃效果卻更佳(圖3(b)插圖)。這歸因于木材中原位生成的SiO2/APP復合凝膠具有更好的隔熱作用，阻止了木材燃燒過程中熱量的傳遞。此外，復合凝膠中Si元素與P、N元素具有協(xié)同成炭作用[12]，促進了炭層的生成，也起到了良好的隔熱隔氧的作用，因而SiO2/APP復合凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的協(xié)同阻燃作用。

圖3未阻燃試樣和經(jīng)質(zhì)量比不同的硅源前驅(qū)物與APP浸漬液處理后試樣的HRR和THR曲線

Fig 3 HRR and THR curves of poplar and the samples treated by different mass ratio of silica source precursor and APP mix solution

圖4(a)為未阻燃試樣和阻燃試樣的總煙釋放量(TSP)對比曲線，可以看出，未阻燃試樣s-blank的TSP曲線在100 s內(nèi)迅速增大，隨后逐漸增加直至樣品完全燃燒，這說明燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣主要來源于木材的熱解和燃燒。比較而言，阻燃處理試樣的TSP曲線一直呈上升趨勢，并隨時間逐漸增加，這主要由于阻燃處理試樣在燃燒過程中更容易成炭，因而煙氣主要來源于炭的不完全燃燒。其中，阻燃試樣s-1∶7和s-1∶8的TSP曲線上升緩慢，在后續(xù)的階段明顯低于未阻燃試樣。而阻燃試樣s-1∶9和s-APP的TSP曲線一直上升且高于未阻燃試樣，這是因為試樣s-1∶9和s-APP不能點燃，一直是不完全燃燒，因而產(chǎn)生更多的煙氣。需要指出的是，所有的SiO2/APP復合凝膠處理后樣品的TSP曲線比單獨APP阻燃處理試樣更低，這說明SiO2/APP復合凝膠在阻燃的同時具有優(yōu)異的抑煙作用。

COP是指在實驗條件下試樣所產(chǎn)生的CO的質(zhì)量隨時間的變化關(guān)系，可用于評估試樣在火災中釋放的煙氣毒性情況。如圖4(b)所示，試樣的CO釋放可大致分為兩個階段：初始點燃階段出現(xiàn)了一個峰值，隨后在炭層的氧化階段持續(xù)增加。對比曲線，未阻燃試樣s-blank的m-COY值最小，這是因為其為完全燃燒，生成產(chǎn)物為CO2。而經(jīng)APP處理試樣的CO產(chǎn)量最大，其COP一直呈現(xiàn)出增長趨勢。這是因為APP受熱分解產(chǎn)生的磷酸能夠與木材中多聚糖發(fā)生催化脫水而炭化，導致了木材及其熱解組分不完全燃燒，因而生成了大量的CO。比較而言，采用SiO2/APP復合凝膠處理的試樣均表現(xiàn)出顯著的減毒效果，且隨著硅源前驅(qū)物和APP質(zhì)量比變化而表現(xiàn)出不同的減毒作用(如表1)。對于阻燃試樣而言，APP阻燃試樣的m-COY值最大，質(zhì)量比為1∶7時阻燃試樣的平均CO產(chǎn)量(m-COY)最小，為APP阻燃試樣的37.92%，與COP曲線趨勢保持一致，結(jié)果表明SiO2/APP復合凝膠具有優(yōu)異的抑煙、減毒作用。這可能由于SiO2凝膠穩(wěn)定性好、具有多孔的結(jié)構(gòu)，不僅可以保護催化脫水生成的炭層，防止其被氧化，而且其疏松多孔結(jié)構(gòu)對產(chǎn)生的煙氣也具有一定的吸附作用[5-6]。

圖4空白樣品和經(jīng)質(zhì)量比不同的硅源前驅(qū)物與APP浸漬液處理后試樣的TSP和COP曲線

Fig 4 TSP and COP curves of poplar and the samples treated by different mass ratio of silica source precursor and APP mix solution

2.3抗流失處理對試樣的阻燃性能分析

圖5為阻燃試樣經(jīng)過抗流失性試驗后的HRR和THR曲線。顯然，抗流失實驗后試樣的HRR和THR曲線均有不同程度的改變。其中，抗流失試樣s-APP#的HRR和THR變化最大，這表明s-APP試樣經(jīng)過抗流失實驗后阻燃劑APP流失嚴重，說明其抗流失性差。比較而言，經(jīng)硅源水解產(chǎn)物與APP浸漬液處理過的試樣s-1∶7#和s-1∶9#的HRR和THR曲線改變較小，結(jié)果表明其依然具有較好的阻燃性。這主要歸因于試樣s-1∶7和s-1∶9中的原位生成的復合凝膠中的SiO2凝膠對APP具有類似包覆作用，可以有效防止APP的流失，同時SiO2凝膠本身同時具備一定的隔熱作用,錐形量熱測試結(jié)果很好的驗證了這一點。

2.4協(xié)同成炭作用

圖6為經(jīng)錐形量熱測試后殘余炭的數(shù)碼照片?？梢娍闯觯醋枞嫉目瞻自嚇?圖6(a))被燒穿，燃燒后只殘留了少量的白色灰燼殘余物。而經(jīng)APP、SiO2/APP復合凝膠阻燃處理過的試樣(圖6(b)-(e))在錐形量熱測試后成炭明顯，且炭層形狀保持相對完整。這是因為木材在APP熱分解產(chǎn)物磷酸或多聚磷酸的脫水作用下促進成炭，此外SiO2凝膠不僅可以起到隔熱隔氧、保護炭層的作用；同時Si元素與P、N元素具有協(xié)同成炭作用，也促進了炭層的生成。其中，硅源水解產(chǎn)物與APP質(zhì)量比為1∶7試樣(圖6(b))燃燒后的炭層結(jié)構(gòu)比較疏松、略有變形，這可能由于SiO2/APP復合凝膠中APP含量過低，不利于促進成炭。相比而言，APP處理試樣(圖6(e))成炭明顯，但表面有少量白色灰燼形成，這主要是APP處理試樣在測試過程中生成的炭層氧化所致。而硅源水解產(chǎn)物與APP質(zhì)量比為1∶8和1∶9復合凝膠處理試樣(圖6(c)和(d))的炭殘余物表面平整，結(jié)構(gòu)致密、無灰燼生成，這是因為復合凝膠中的SiO2起到骨架和保護作用，有利于炭層的生成和提高了其穩(wěn)定性。

圖5未阻燃試樣和抗流失處理后試樣的HRR和THR曲線

Fig 5 HRR and THR curves of poplar and the samples treated by leachability experiments

圖6　不同質(zhì)量比試樣的錐形量熱測試后殘余炭的數(shù)碼照片

3　結(jié)　論

通過加壓浸漬將硅源前驅(qū)物和APP的均一溶液引入到經(jīng)過微波預處理的木材中，經(jīng)過后續(xù)處理，在木材孔道中原位生成了SiO2/APP復合凝膠，并全面考察該復合凝膠在木材燃燒過程中的阻燃性能和煙氣轉(zhuǎn)化行為，結(jié)果表明：

(1)木材中原位生成的SiO2/APP復合凝膠具有優(yōu)異的阻燃抑煙性能。硅源前驅(qū)物與APP溶液質(zhì)量比為1∶8處理試樣表現(xiàn)出優(yōu)異的協(xié)同阻燃抑煙作用，其THR、TSP和m-COY分別下降了93.6%，61.6%和53.9%；硅源前驅(qū)物與APP溶液質(zhì)量比為1∶9處理試樣在測試條件下30 min難以點燃，其阻燃效果最佳。

(2)阻燃試樣抗流失實驗結(jié)果表明，該復合凝膠可防止阻燃劑APP的流失，對木材阻燃起到長期保護的作用。

[1]Garba B．Effect of zinc borate as flame retardant formulation on some tropical woods [J]. Polymer Degradation and Stability, 1999, 64(3): 517-522.

[2]Wang Qingwen, Li Jian. The fire retardant mechanism of fireretardant FRW for wood [J]. Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(5): 123-126.

王清文，李堅. 木材阻燃劑FRW的阻燃機理[J]. 林業(yè)科學, 2005, 41(5): 123-126.

[3]Hu Yunchu, Wu Zhiping, Sun Hanzhou, et al. Synthesis and flame retardantion of an ammonium polyphosphate [J]. Journal of Functional Materials, 2006, 37(3): 424-427.

胡云楚，吳志平，孫漢洲，等. 聚磷酸銨的合成及其阻燃性能研究[J]. 功能材料，2006, 37(3): 424-427.

[4]Sun Q F, Yu H P, Liu Y X. Prolonging the combustion duration of wood by TiO2coating synthesized using cosolvent-controlled hydrothermal method [J]. Journal of Materials Science, 2010, 45(24): 6661-6667.

[5]Xia Liaoyuan, Wu Yiqiang, Hu Yunchu. Study on smoke catalytic conversion by Sn-substituted mesoporous silica composite in wood fire retardance [J]．Journal of Inorganic Materials, 2013, 28 (5): 532-536．

夏燎原，吳義強，胡云楚. 錫摻雜介孔分子篩在木材阻燃中的煙氣轉(zhuǎn)化作用[J].無機材料學報, 2013, 28(5): 532-536.

[6]Xia Liaoyuan, Tian Liangcai, Hu Yunchu,et al. Synergistic effect between modified 13X molecular sieves and ammonium polyphosphate on the flammable properties and smoke conversion behavior of shaving-board [J]. Chemistry and Industry of Forest Products, 2014, 34 (3): 31-36.

夏燎原，田梁材，胡云楚，等. 改性13X分子篩在聚磷酸啊阻燃碎料板中的協(xié)同作用與煙氣轉(zhuǎn)化[J]．林產(chǎn)化學與工業(yè), 2014, 34 (3): 31-36.

[7]Qian Xiaoqian, Ye Qingqing, Lai Junying. Effects of SiO2sol on leachability of wood impregnated with disodium octaborate tetrahydrate [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2012, 41(s3):668-671.

[8]Fang Guizhen, Li Shujun, Pan Jiuyin, et al. The resistance leachability and chemistry stability of modified wood with fire retardant DPB [J]. Journal of Northeast Forestry University, 2000, 28(4): 54-56.

方桂珍，李淑君，龐久寅，等. 阻燃劑DPB改性木材的抗流失性和化學穩(wěn)定性[J]. 東北林業(yè)大學學報, 2000, 28 (4): 54-56.

[9]Schmidt M, Schwertfege F. Applications for silica aerogel products [J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 1998, 225：364-368.

[10]Sheng Chen, Yu Yun, Yu Yang, et al. Microstructure and thermal characterization of multilayer insulation materials based on silica aerogels [J]. Journal of Inorganic Materials, 2013, 28 (7): 790-793.

[11]Hu Yunchu. Char forming and smoke suppression function of zinc borate and ammonium polyphosphate on wood during combustion[D]. Changsha: Central South University of Forestry and Technology, 2005. 31-32.

[12]Li J, Wei P, Li L K, et al. Synergistic effect of mesoporous silica SBA-15 on intumescent flame-retardant polypropylene [J]. Fire and Materials, 2011, 35(2): 83-91.

SiO2/APP composites gel formation in-situ timber and properties of flame retardance and smoke suppression

XIA Liaoyuan1，WU Yiqiang1，LI Xianjun1，HU Yunchu2, HUANG Qiongtao3

(1. College of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, C2. College of Science, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;3. Guangdong Yihua Timber Industry Corporation Limited, Shantou 515834, China)

Firstly, wood was treated by high-strength microwave in order to improve its permeability. Then, the different mass ratio of silica source precursor and ammonium polyphosphate (APP) mixture solution was introduced into the wood through impregnating method under pressure, after that the SiO2/APP composites gel formation in-situ the wood after subsequently condensation and drying processing. The morphology, synergistic effect on fire-retardance and smoke behavior of the SiO2/APP composite were investigated by electronic scanning microscope (SEM), cone calorimeter and other techniques in present work. The results show that the SiO2/APP composite gel has excellent flame retardance and smoke suppression performance. As a result, silicon source and APP precursor mass ratio of 1∶8 post-treatment samples ignited 155 s then extinguished. It is clearly seen that a reduction of total heat release (THR) to 93.7%, the total smoke production (TSP) and the mean of CO yield (m-COY) were decreased to 61.6% and 53.9%, respectively. The mass ratio of 1∶9 specimens under the experimental conditions for 30 min is non-combustible, exists excellent flame retardance. By comparing the fire parameters of specimens before and after leaching, it is found that the gel composites can prevent the loss of APP, which can extend the period of wood flame retardance.

fire resistance of wood; composite gel; in situ generation; smoke inhibition and conversion

1001-9731(2016)05-05105-06

國家自然科學基金資助項目(31200438, 31370564)；林業(yè)公益性行業(yè)科研專項資助項目(201204708)

2015-04-10

2016-01-10 通訊作者：李賢軍，E-mail:lxjmu@163.com

夏燎原(1977-)，男，湖南邵陽人，博士，副教授，從事功能多孔材料、木材材性改良等方面研究。

TQ351

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.019