Na2SiO3基木材膠黏劑的膠合與阻燃特性

劉曉梅，吳義強,2，姚春花，張新荔，胡云楚

Na2SiO3基木材膠黏劑的膠合與阻燃特性

劉曉梅1，吳義強1,2，姚春花1，張新荔1，胡云楚1

( 1.中南林業科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2. 竹業湖南省工程研究中心，湖南 長沙 410004)

無機膠黏劑用于木質人造板生產時具有環保、防火等優良性能。以2.4、2.6、2.8、3.0模Na2SiO3溶液為主要原料，氧化鎂、氧化鋁為骨架物質，二氧化硅為固化劑，混合調制成一系列無機膠黏劑，并施加于楊木單板上，采用冷壓成型工藝制備5層楊木膠合板，進而對該膠合板進行力學性能、耐水性及阻燃性能測試。結果表明：Na2SiO3基木材膠黏劑膠合樣的膠合強度介于0.358至0.46 MPa之間，耐水性有待提高；熱釋放速率(HRR)、總熱釋放量(THR)和質量損失速率(MLR)均低于對照樣，具有較好的阻燃效果。

木材；Na2SiO3； 膠合性能； 阻燃性能

目前，人造板工業所用三大膠種為酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂膠。盡管它們性能優良，膠接強度高，耐水性好，且合成工藝及使用技術較完善[1]，但不可避免地對環境造成污染，釋放甲醛、酚類等有毒氣體，成為木材行業不得不重視的問題[2]。而無機膠黏劑在人造板行業中用量不大，相關研究也比較滯后。但是其耐高溫性能優越，可在-183～2 900℃的溫度范圍內使用，且膠接強度高，生產周期短[3]，更重要的是不存在上述污染問題，又能使易燃木材成為耐火材料，并可賦予其防腐、防水等優良性能，因此使用無機膠黏劑替代有機膠黏劑是未來人造板行業的發展方向之一[4]。

現階段我國使用的無機膠黏劑主要是磷酸鹽系列膠黏劑和硅酸鹽系列膠黏劑。而磷的使用會帶來一系列環境污染問題，因此在實際應用領域廣泛使用硅酸鹽膠黏劑。可溶性的堿金屬硅酸鹽的熔體呈玻璃狀，溶于水所得的粘稠溶液叫做水玻璃，而通常我們所說的水玻璃就是硅酸鈉。水玻璃有相當強的粘結能力，而且成本較低廉，是工業上重要的無機粘結劑。但是，硅酸鈉的模數(即SiO2與Na2O的比值)的選取則是膠黏劑研制的關鍵因素，因為其直接影響膠黏劑的穩定性及粘接強度，模數增加，穩定性減弱；模數下降，粘接強度也降低。只有在最佳模數下，才能保證粘接強度及穩定性[5]，根據前人研究結果，作為膠黏劑主料的硅酸鈉最佳模數介于2.8～3.5之間[6]。

在前期工作[7]的基礎上，為研究的方便，筆者選用特定模數的Na2SiO3溶液為主料，以氧化鎂、氧化鋁為骨架物質，二氧化硅為固化劑，混合調制成一系列無機膠黏劑，采用冷壓成型工藝制備5層楊木膠合板，然后對其進行膠合性能與燃燒性能測試，探索Na2SiO3基木材膠黏劑在人造板工業中應用的可能性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試劑：Na2SiO3溶液(上虞市強盛化工有限公司)，模數分別為2.4、2.6、2.8、3.0；氧化鋁(天津大茂化學試劑廠)、氧化鎂(西隴化工股份有限公司)和二氧化硅(西隴化工股份有限公司)，以上試劑均為分析純；酚醛樹脂膠(河北三木化工建材有限公司)。

試材：速生林楊木，采自湖南洞庭湖區，1.5 mm厚單板，含水率15%。

1.2 儀器設備

熱壓機，上海人造板機器廠，型號QD86107；微機控制電子式木材萬能試驗機，濟南人造板廠，型號MWD-50；上皿電子天平，上海精科天平廠，型號FA2004，精度0.000 1 g；0.02 mm游標卡尺，上海恒盛工具有限公司；XMTE恒溫水浴鍋，佳敏儀表有限公司；錐形量熱儀，英國燃燒測試技術公司，型號 Stanton Redcroft。

1.3 試驗方法

1.3.1 膠黏劑的調制

分別稱取420 g 4種模數的Na2SiO3溶液倒入4個500 mL燒杯中，氧化鎂、氧化鋁各210 g，固化劑二氧化硅各70 g，加入已稱量好Na2SiO3的各燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻，制得Na2SiO3無機膠黏劑。

1.3.2 膠合板的制備

預先將楊木單板在室溫通風條件下放置一段時間，使其含水率達到當地的木材平衡含水率，約13%。

睡眠障礙,主要表現為睡眠量不正常與睡眠中發作性異常。大量研究表明,睡眠障礙,與思想矛盾、腦力勞動、精神負擔過重、病后體弱等因素有關[5]。目前,關于老年睡眠障礙,多給予藥物治療,例如,艾司唑侖、佐匹克隆等。

將楊木單板鋸切成500 mm×500 mm幅面，上述調制的無機膠黏劑與酚醛樹脂膠均采用手工刷涂的方式進行涂膠，使用常規的垂直紋理方式組坯成5層膠合板，施膠量400～450 g/m2。

采用冷壓成型工藝，壓力3.0～5.0 MPa，室溫下保壓12 h后卸板。在室溫環境下放置7 d后進行裁邊處理，并按照相關國家標準鋸制試件。

1.3.3 性能檢測

按照GB/T 9846.12檢測所壓制膠合板的膠合強度；根據GB/T 17657-1999檢測試件24 h吸水厚度膨脹率來評價其耐水性；利用CONE法檢測試件的阻燃性能。每個檢測項目取4個試件，結果取平均值。

2 結果與分析

2.1 Na2SiO3基木材膠黏劑的膠合性能

膠合強度能較好地反映膠合板的膠合質量，在本試驗中，輔以耐水性能綜合評價Na2SiO3基無機膠黏劑的膠合性能。

如表1所示，使用Na2SiO3基木材膠黏劑所壓制的膠合板的膠合強度較低，而24 h吸水厚度膨脹率較高，均達不到使用要求。但同時，在模數為2.8時，膠合強度最高且24 h吸水厚度膨脹率最低，由此可見，Na2SiO3模數對膠合強度和耐水性均有一定影響。

Na2SiO3溶液中的nSiO2是硅酸多分子聚合體構成的膠態顆粒，堿金屬離子的作用在于保持平衡穩定。當硅酸鈉與被粘物脫水反應時，從溶液中析出SiO2膠體，具有極大的活性，將被粘物黏合起來，形成SiO2凝膠的粘接接頭。另一方面，Na2SiO3溶液與空氣中的二氧化碳作用，析出氧化硅，也形成凝膠層：

表1 不同模數硅酸鈉膠合樣與對照樣膠合強度及耐水性Table 1 Bonding strength and water resistance of Na2SiO3 specimens with different modulus and the contrast

微小的氧化物顆粒有的在Na2SiO3溶液中發生反應生成不溶性硅酸鹽，有的形成新的陰離子如鋁酸陰離子，促進了析出氧化硅膠體的凝膠過程。有些作為嵌定劑，其余成為凝聚和纏結的基礎。由于凝膠的進一步增多，相對分子質量增大成為巨大的膠團，而把填料包裹在一起形成致密的結構，因此，在理論上，Na2SiO3基木材膠黏劑具有一定的膠合強度[8]。

在后續試驗中，可以在該無機膠黏劑中添加硅烷偶聯劑[10]、晶須等物質來提高其膠合強度。其次，在工藝上，還應對壓力、時間、溫度條件進行探索，以尋求最佳固化條件。

2.2 Na2SiO3基木材膠黏劑的阻燃性能

2.2.1 熱釋放速率(HRR)

熱釋放速率是評價材料火災危險性的重要參數之一。一般地，熱釋放速率越大，大量熱反饋至材料表面加快其熱解速度，從而產生更多的揮發性可燃物，加速火焰傳播，因此，材料的火災危險性越大。

圖1 不同模數硅酸鈉膠合樣與對照樣的熱釋放速率Fig. 1 Heat release rate of Na2SiO3 specimens with different modulus and the contrast

由圖1可以看出，5種試件在燃燒過程中均出現2次熱釋放速率峰值，而且在2個峰值之間存在一個穩定燃燒階段。試件點燃后，其表面熱解產物快速燃燒，形成第1個熱釋放速率峰值，隨著試件表面炭化，在炭層的阻隔作用下，其熱釋放速率減小，處于一個穩定狀態，在燃燒結束前，試件溫度迅速升高，其熱解速度加快，形成第2個熱釋放速率峰值。由圖1也易知，對照組試件的熱釋放速率遠遠大于本實驗中的無機膠黏劑所膠合的試件。硅酸鈉膠合樣與對照樣燃燒后的外觀見圖2。

圖2 硅酸鈉膠合樣與對照樣燃燒后的外觀Fig. 2 Appearances of Na2SiO3 specimens and the contrast after burned

2.2.2 總熱釋放量(THR)

總熱釋放量是單位面積的材料從著火到燃燒全過程中所釋放熱量的總和。一般地，總熱釋放量愈大，材料的火災危險性愈大。

由圖3可知，對照組試件的總熱釋放量遠遠高于本實驗中使用無機膠黏劑的試件的釋放量。因此，相對于有機膠黏劑，無機膠粘劑在阻燃效果上有較好表現。

圖3 不同模數硅酸鈉膠合樣與對照樣的總熱釋放量Fig. 3 Total heat release of Na2SiO3 specimens with different modulus and the contrast

而在4種模數的Na2SiO3中，2.8模在240 s就已經停止燃燒，結合實驗現象，觀察到該試樣在熱輻射作用下只燒完表層木材，到膠層時就不再燃燒，因此說明Na2SiO3基木材膠黏劑具有較好的阻燃效果。

2.2.3 質量損失特性

主要依據質量損失速率(MLR)來評價試件的質量損失特性。MLR是指燃燒樣品在燃燒過程中質量隨時間的變化率，它反映了材料在一定火強度下的熱裂解、揮發及燃燒程度。質量損失速率曲線下的總面積為試件總的質量損失。質量損失越大，燃燒越充分，耐燃燒性能越差。

由圖4可知，各條曲線的波動幅度均較大，對照組試件的質量損失速率峰值與本實驗中采用Na2SiO3膠合樣對應值近似，然而，對照組試件總質量損失較Na2SiO3膠合樣大，即Na2SiO3膠合樣在燃燒后能保留更多的剩余質量，維持材料原有強度，同時說明被燃燒的木材更少，所釋放的熱量更少。因此，從質量損失方面考慮，Na2SiO3膠合樣較對照樣具有更好的阻燃性能。初步推測是Na2SiO3中的-Si-O-在高溫作用下先分解再進行重排，較好地保持了主鏈的完整度[11]。

圖4 不同模數硅酸鈉膠合樣與對照樣的質量損失特性Fig. 4 Mass lose rate of Na2SiO3 specimens with different modulus and the contrast

3 結 論

(1)Na2SiO3基木材膠黏劑具有一定的膠合強度，但尚未達到有機膠黏劑在粘接板材時的效果，Na2SiO3基無機膠黏劑耐水性不如有機膠黏劑，還需要較大改進。

(2)通過膠合性能測試，表明使用不同模數的Na2SiO3所壓制的板材膠合性能有明顯差異，模數為2.8的Na2SiO3做無機膠的主料時，膠合效果最好。

(3)相對于有機膠黏劑，使用Na2SiO3的無機膠黏劑能減緩木材燃燒時的熱釋放速率，減少總熱釋放量，因而能有效地抑制火傳播和蔓延，質量損失也相對較少，具有較好的阻燃效果。

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Properties of bonding and fire resistance for wood inorganic adhesive based on Na2SiO3

LIU Xiao-mei1, WU Yi-qiang1,2, YAO Chun-hua1, ZHANG Xin-li1, HU Yun-chu1
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan,China；2. Hunan Provincial Engineering Research Center of Bamboo Industry, Changsha 410004, Hunan, China)

Inorganic adhesive has many excellent properties such as no pollution, fire retardant when used for wood-based production, five different modulus(2.4,2.6,2.8,3.0) of sodium silicate solution were selected as the main ingredients, and magnesium oxide and alumina were used as stock material, silica as curing agent, thus a series of inorganic adhesive for plywood have been prepared. The inorganic adhesive was used to poplar veneer and a kind of five-layer poplar plywood was produced by adopting cold briquetting process. Then a test of mechanical properties,water resistance and fire resistance of the plywood were conducted. The results show that the bonding strength were existed indeed which were among 0.358 and 0.46 MPa, however, the properties of water resistance needed to be rised ; the HRR, THR and MLR were all lower than organic adhesive(the control); the flame retardant of the inorganic adhesive was better than organic adhesive(the control).

wood; Na2SiO3; bonding strength; fire resistance

S782.39

A

1673-923X(2012)01-0024-04

2011-10-17

國家林業公益性行業科研重大專項 (201204704)；國家“十二五”科技計劃課題(2012BAD24B03)；教育部博士點基金項目(20114321110005)；湖南省科技重大專項(2011FJ1006 )；國家自然科學基金(31070496)；湖南省杰出青年基金項目(09JJ1003)；湖南省科技領軍人才培養資助項目(2011RS4021)；湖南省研究生科研創新項目(CX2011B321)；中南林業科技大學木材科學與技術國家重點學科資助；中南林業科技大學研究生科技創新基金項目(2009SX07)

劉曉梅(1988—)，女，安徽阜陽人，碩士研究生，主要從事木材材性及功能性改良方面的研究

吳義強(1967—)，男，河南固始人，教授，博士，博士生導師，主要從事木材材性、木材功能性改良及物質復合的研究；E-mail:wuyq0506@126.com

[本文編校：謝榮秀]