八硼酸鈉與硅溶膠復合對建筑木材燃燒成炭率的影響研究

葉箐箐　朱兆平

摘 要：為研究八硼酸鈉與硅溶膠復合處理對建筑木材燃燒成炭率的影響，該文采用八硼酸鈉（DOT）與二氧化硅溶膠（SiO2）對杉木試件進行二次加壓浸注處理，制得DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材。采用錐形量熱儀法（CONE）測定了其成炭率。結果表明：杉木試件經DOT/SiO2復合處理之后，成炭率達到了50.16%，是素材的5.4倍。說明八硼酸鈉與硅溶膠復合處理能大幅提高木材燃燒的成炭率，且兩者表現出較好的協同作用。

關鍵詞：成炭率 八硼酸鈉 硅溶膠

中圖分類號：S781 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0049-02

木材具有良好的視覺特性、觸覺特性、調溫調濕機能和較高的強重比等特點，且是一種可再生環保型建筑材料，因此被廣泛應用于建筑結構、建筑裝飾等領域。但是木材固有的易燃性不僅限制了其應用范圍，同時也給人們的生產生活帶來了巨大的損失[1]。據統計，2012年我國共發生火災11萬起，直接財產損失12.5億元。由此可見，木材阻燃劑的研究與開發，對于預防和減少建筑火災的損失具有重要的意義。木材阻燃劑是一類能賦予木材難燃性質的化學物質[2]。不同類型的阻燃劑因其成分的差異，表現出不同的阻燃效果，諸如延長點燃時間、降低熱釋放速率、減少總放熱量等。燃燒成炭率，即燃燒剩余物質量占燃燒前總質量的百分率，是衡量阻燃效果的有效指標之一。因為木材燃燒的過程，即木材中的可燃成分受熱分解并釋放出煙和氣體的過程。成炭率越高，表明可燃物殘余量就越大，燃燒就越不充分，阻燃效果越好。

八硼酸鈉（DOT）是一種環保型阻燃劑，為粉狀非晶態微粒，速溶于水。由硼酸鈉的水合物及其他原料改性而成，是硼酸鹽的聚合物。無色、無味，對人畜和環境無危害；pH值接近于中性，因此對木材的酸堿性質無影響；處理后不改變材色，不改變木材的力學強度，便于著色、油漆與膠合[3]。但因其作為無機阻燃劑水溶性較大，容易流失從而限制了其在木材阻燃領域的使用范圍；二氧化硅溶膠（SiO2）具有良好的抗流失性能，但其阻燃性能仍有較大的改進空間。但采用八硼酸鈉與二氧化硅溶膠這兩種環保型阻燃劑，對杉木試件進行二次加壓浸注處理，制得DOT/SiO2/木材表現出較好的抗流失性能。即二氧化硅溶膠提高了八硼酸鈉在木材中的固著度，擴大了其適用范圍。但DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材的阻燃性能如何，仍需進一步確定。該文利用錐形量熱儀法（CONE）研究了八硼酸鈉與二氧化硅溶膠復合處理對木材燃燒成炭率的影響，從而并為判定DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材的阻燃性能提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

（1）杉木試件

實驗中所用的杉木取自浙江省杭州市臨安縣林場，樹齡12年。取各樹干距地面0.5～4 m部分進行去皮、切割、刨光等處理，將其加工成為100 mm× 100 mm×10 mm規格，用于成炭率測定。

（2）八硼酸鈉

采用常州市化學用料廠生產的八硼酸鈉，白色粉末或顆粒，易溶于水。配制成質量分數為5%的處理劑。

（3）硅溶膠

采用杭州卡瑞特化工有限公司生產的二氧化硅溶膠，為乳白色或淡青色透明溶液，基本成分為無定型的二氧化硅，分子式為mSiO2、nH2O，其中SiO2以膠團形態分散在水或有機溶劑中；具體參數：SiO2含量為25%，溶膠中穩定劑Na2O含量小于0.5%，呈微弱堿性[4]。

1.2 處理方法

（1）將試件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，測定初始質量W1。

（2）將試件置于真空加壓釜中，用真空泵抽真空30 min，真空度保持0.094 MPa。

（3）在真空狀態下向真空加壓釜中吸入DOT溶液，然后解除真空。

（4）打開氮氣加壓裝置，對真空加壓釜加壓至1.0 MPa，保持1 h，使阻燃劑進入木材。

（5）解除壓力，取出試件，沖洗并擦干表面。

（6）將試件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，測定處理后質量W2。計算載藥率WPG=（W2-W1）/W1。

（7）重復上述步驟，對試件進行硅溶膠浸注處理，得到初始載藥率。

1.3 成炭率測定

錐形量熱儀可模擬多種火焰強度，同時提供熱、煙、質量變化及煙氣成分等的相關參數和重要信息。試驗結果與大型燃燒試驗相關性良好，是一種小比例火災模擬試驗儀，被公認為具有科學性、合理性與先進性。CONE參數設置：輻射功率：50 kW/m2，相應溫度為780 ℃；每隔1s自動測一組數據。采用錐形量熱儀法（CONE）測定處理前后杉木試件燃燒過程的殘余質量隨時間變化的曲線，最終根據殘余質量計算成炭率。

2 結果與分析

2.1 殘余質量

由圖1可見，素材的Mass曲線很陡，在有焰燃燒階段（從燃燒開始至第250 s左右）質量急劇下降，表明可燃成分的分解與煙的釋放主要集中在這一階段。硅溶膠處理材的Mass曲線與素材比較相似；八硼酸鈉處理材和八硼酸鈉/硅溶膠復合處理材的Mass曲線比素材平緩，說明在燃燒過程中可燃物分解比較緩慢均勻，也即燃燒過程熱量釋放較均勻，這有利于避免溫峰的急速上升而導致火勢迅速蔓延，對于降低熱量向木材的反饋是非常有利的[5]。

2.2 成炭率

木材試樣在燃燒前后的質量如表1所示，計算得出各改性劑處理后的成炭率如圖2所示。素材成炭率為9.21%，表明燃燒非常充分，僅殘余一些灰燼。硅溶膠處理材的成炭率為38.6%，八硼酸鈉處理材的成炭率為42.26%，較素材大幅提高，分別為素材成炭率的4.2倍和4.6倍。說明硅溶膠與八硼酸鈉均能抑制木材的燃燒，減少可燃成分分解，提高殘余炭的質量。八硼酸鈉/硅溶膠復合處理材的成炭率為50.16%，為素材的5.4倍。說明八硼酸鈉/硅溶膠復合處理能大幅提高成炭率，抑制了木材的燃燒，阻燃效果明顯。同時八硼酸鈉/硅溶膠復合處理材較硅溶膠單一處理材成炭率提高了30%；較八硼酸鈉單一處理材成炭率提高了19%。說明硅溶膠與八硼酸鈉表現出較好的協同作用（圖2）。

3 結語

綜合以上結果與分析，可以得出要如下結論：木材試件經過八硼酸鈉與硅溶膠二次加壓浸注處理后所得到的DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材，具有較好的阻燃性能，表現為成炭率達到了50.16%，是素材的5.4倍。八硼酸鈉與硅溶膠復合處理能大幅提高木材的成炭率，使可燃物分解比較緩慢均勻，表現出較好的協同作用。[6]

參考文獻

[1] 葉箐箐.碳酸鉀與硅溶膠復合對木材阻燃改性研究[J].新型建筑材料，2011（9）：24-28.

[2] 呂文華，趙廣杰.木材/木質復合材料阻燃技術現狀及發展趨勢[J].木材工業，2002（11）：31-34.

[3] 肖景波.四水八硼酸鈉的發展現狀及展望[J].河南化工，2008（25）：10-11.

[4] 葉箐箐.八硼酸鈉/硅溶膠對木材的改性研究[D].浙江大學，2012.

[5] 李堅，王清文.用CONE法研究木材阻燃劑FRW的阻燃性能[J].林業科學，2002（9）：108-115.

[6] 趙殊，趙英壁.抗流失性木材阻燃劑的研究[J].東北林業大學學報，1994（6）：57-63.endprint

摘 要：為研究八硼酸鈉與硅溶膠復合處理對建筑木材燃燒成炭率的影響，該文采用八硼酸鈉（DOT）與二氧化硅溶膠（SiO2）對杉木試件進行二次加壓浸注處理，制得DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材。采用錐形量熱儀法（CONE）測定了其成炭率。結果表明：杉木試件經DOT/SiO2復合處理之后，成炭率達到了50.16%，是素材的5.4倍。說明八硼酸鈉與硅溶膠復合處理能大幅提高木材燃燒的成炭率，且兩者表現出較好的協同作用。

關鍵詞：成炭率 八硼酸鈉 硅溶膠

中圖分類號：S781 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0049-02

木材具有良好的視覺特性、觸覺特性、調溫調濕機能和較高的強重比等特點，且是一種可再生環保型建筑材料，因此被廣泛應用于建筑結構、建筑裝飾等領域。但是木材固有的易燃性不僅限制了其應用范圍，同時也給人們的生產生活帶來了巨大的損失[1]。據統計，2012年我國共發生火災11萬起，直接財產損失12.5億元。由此可見，木材阻燃劑的研究與開發，對于預防和減少建筑火災的損失具有重要的意義。木材阻燃劑是一類能賦予木材難燃性質的化學物質[2]。不同類型的阻燃劑因其成分的差異，表現出不同的阻燃效果，諸如延長點燃時間、降低熱釋放速率、減少總放熱量等。燃燒成炭率，即燃燒剩余物質量占燃燒前總質量的百分率，是衡量阻燃效果的有效指標之一。因為木材燃燒的過程，即木材中的可燃成分受熱分解并釋放出煙和氣體的過程。成炭率越高，表明可燃物殘余量就越大，燃燒就越不充分，阻燃效果越好。

八硼酸鈉（DOT）是一種環保型阻燃劑，為粉狀非晶態微粒，速溶于水。由硼酸鈉的水合物及其他原料改性而成，是硼酸鹽的聚合物。無色、無味，對人畜和環境無危害；pH值接近于中性，因此對木材的酸堿性質無影響；處理后不改變材色，不改變木材的力學強度，便于著色、油漆與膠合[3]。但因其作為無機阻燃劑水溶性較大，容易流失從而限制了其在木材阻燃領域的使用范圍；二氧化硅溶膠（SiO2）具有良好的抗流失性能，但其阻燃性能仍有較大的改進空間。但采用八硼酸鈉與二氧化硅溶膠這兩種環保型阻燃劑，對杉木試件進行二次加壓浸注處理，制得DOT/SiO2/木材表現出較好的抗流失性能。即二氧化硅溶膠提高了八硼酸鈉在木材中的固著度，擴大了其適用范圍。但DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材的阻燃性能如何，仍需進一步確定。該文利用錐形量熱儀法（CONE）研究了八硼酸鈉與二氧化硅溶膠復合處理對木材燃燒成炭率的影響，從而并為判定DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材的阻燃性能提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

（1）杉木試件

實驗中所用的杉木取自浙江省杭州市臨安縣林場，樹齡12年。取各樹干距地面0.5～4 m部分進行去皮、切割、刨光等處理，將其加工成為100 mm× 100 mm×10 mm規格，用于成炭率測定。

（2）八硼酸鈉

采用常州市化學用料廠生產的八硼酸鈉，白色粉末或顆粒，易溶于水。配制成質量分數為5%的處理劑。

（3）硅溶膠

采用杭州卡瑞特化工有限公司生產的二氧化硅溶膠，為乳白色或淡青色透明溶液，基本成分為無定型的二氧化硅，分子式為mSiO2、nH2O，其中SiO2以膠團形態分散在水或有機溶劑中；具體參數：SiO2含量為25%，溶膠中穩定劑Na2O含量小于0.5%，呈微弱堿性[4]。

1.2 處理方法

（1）將試件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，測定初始質量W1。

（2）將試件置于真空加壓釜中，用真空泵抽真空30 min，真空度保持0.094 MPa。

（3）在真空狀態下向真空加壓釜中吸入DOT溶液，然后解除真空。

（4）打開氮氣加壓裝置，對真空加壓釜加壓至1.0 MPa，保持1 h，使阻燃劑進入木材。

（5）解除壓力，取出試件，沖洗并擦干表面。

（6）將試件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，測定處理后質量W2。計算載藥率WPG=（W2-W1）/W1。

（7）重復上述步驟，對試件進行硅溶膠浸注處理，得到初始載藥率。

1.3 成炭率測定

錐形量熱儀可模擬多種火焰強度，同時提供熱、煙、質量變化及煙氣成分等的相關參數和重要信息。試驗結果與大型燃燒試驗相關性良好，是一種小比例火災模擬試驗儀，被公認為具有科學性、合理性與先進性。CONE參數設置：輻射功率：50 kW/m2，相應溫度為780 ℃；每隔1s自動測一組數據。采用錐形量熱儀法（CONE）測定處理前后杉木試件燃燒過程的殘余質量隨時間變化的曲線，最終根據殘余質量計算成炭率。

2 結果與分析

2.1 殘余質量

由圖1可見，素材的Mass曲線很陡，在有焰燃燒階段（從燃燒開始至第250 s左右）質量急劇下降，表明可燃成分的分解與煙的釋放主要集中在這一階段。硅溶膠處理材的Mass曲線與素材比較相似；八硼酸鈉處理材和八硼酸鈉/硅溶膠復合處理材的Mass曲線比素材平緩，說明在燃燒過程中可燃物分解比較緩慢均勻，也即燃燒過程熱量釋放較均勻，這有利于避免溫峰的急速上升而導致火勢迅速蔓延，對于降低熱量向木材的反饋是非常有利的[5]。

2.2 成炭率

木材試樣在燃燒前后的質量如表1所示，計算得出各改性劑處理后的成炭率如圖2所示。素材成炭率為9.21%，表明燃燒非常充分，僅殘余一些灰燼。硅溶膠處理材的成炭率為38.6%，八硼酸鈉處理材的成炭率為42.26%，較素材大幅提高，分別為素材成炭率的4.2倍和4.6倍。說明硅溶膠與八硼酸鈉均能抑制木材的燃燒，減少可燃成分分解，提高殘余炭的質量。八硼酸鈉/硅溶膠復合處理材的成炭率為50.16%，為素材的5.4倍。說明八硼酸鈉/硅溶膠復合處理能大幅提高成炭率，抑制了木材的燃燒，阻燃效果明顯。同時八硼酸鈉/硅溶膠復合處理材較硅溶膠單一處理材成炭率提高了30%；較八硼酸鈉單一處理材成炭率提高了19%。說明硅溶膠與八硼酸鈉表現出較好的協同作用（圖2）。

3 結語

綜合以上結果與分析，可以得出要如下結論：木材試件經過八硼酸鈉與硅溶膠二次加壓浸注處理后所得到的DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材，具有較好的阻燃性能，表現為成炭率達到了50.16%，是素材的5.4倍。八硼酸鈉與硅溶膠復合處理能大幅提高木材的成炭率，使可燃物分解比較緩慢均勻，表現出較好的協同作用。[6]

參考文獻

[1] 葉箐箐.碳酸鉀與硅溶膠復合對木材阻燃改性研究[J].新型建筑材料，2011（9）：24-28.

[2] 呂文華，趙廣杰.木材/木質復合材料阻燃技術現狀及發展趨勢[J].木材工業，2002（11）：31-34.

[3] 肖景波.四水八硼酸鈉的發展現狀及展望[J].河南化工，2008（25）：10-11.

[4] 葉箐箐.八硼酸鈉/硅溶膠對木材的改性研究[D].浙江大學，2012.

[5] 李堅，王清文.用CONE法研究木材阻燃劑FRW的阻燃性能[J].林業科學，2002（9）：108-115.

[6] 趙殊，趙英壁.抗流失性木材阻燃劑的研究[J].東北林業大學學報，1994（6）：57-63.endprint

摘 要：為研究八硼酸鈉與硅溶膠復合處理對建筑木材燃燒成炭率的影響，該文采用八硼酸鈉（DOT）與二氧化硅溶膠（SiO2）對杉木試件進行二次加壓浸注處理，制得DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材。采用錐形量熱儀法（CONE）測定了其成炭率。結果表明：杉木試件經DOT/SiO2復合處理之后，成炭率達到了50.16%，是素材的5.4倍。說明八硼酸鈉與硅溶膠復合處理能大幅提高木材燃燒的成炭率，且兩者表現出較好的協同作用。

關鍵詞：成炭率 八硼酸鈉 硅溶膠

中圖分類號：S781 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0049-02

木材具有良好的視覺特性、觸覺特性、調溫調濕機能和較高的強重比等特點，且是一種可再生環保型建筑材料，因此被廣泛應用于建筑結構、建筑裝飾等領域。但是木材固有的易燃性不僅限制了其應用范圍，同時也給人們的生產生活帶來了巨大的損失[1]。據統計，2012年我國共發生火災11萬起，直接財產損失12.5億元。由此可見，木材阻燃劑的研究與開發，對于預防和減少建筑火災的損失具有重要的意義。木材阻燃劑是一類能賦予木材難燃性質的化學物質[2]。不同類型的阻燃劑因其成分的差異，表現出不同的阻燃效果，諸如延長點燃時間、降低熱釋放速率、減少總放熱量等。燃燒成炭率，即燃燒剩余物質量占燃燒前總質量的百分率，是衡量阻燃效果的有效指標之一。因為木材燃燒的過程，即木材中的可燃成分受熱分解并釋放出煙和氣體的過程。成炭率越高，表明可燃物殘余量就越大，燃燒就越不充分，阻燃效果越好。

八硼酸鈉（DOT）是一種環保型阻燃劑，為粉狀非晶態微粒，速溶于水。由硼酸鈉的水合物及其他原料改性而成，是硼酸鹽的聚合物。無色、無味，對人畜和環境無危害；pH值接近于中性，因此對木材的酸堿性質無影響；處理后不改變材色，不改變木材的力學強度，便于著色、油漆與膠合[3]。但因其作為無機阻燃劑水溶性較大，容易流失從而限制了其在木材阻燃領域的使用范圍；二氧化硅溶膠（SiO2）具有良好的抗流失性能，但其阻燃性能仍有較大的改進空間。但采用八硼酸鈉與二氧化硅溶膠這兩種環保型阻燃劑，對杉木試件進行二次加壓浸注處理，制得DOT/SiO2/木材表現出較好的抗流失性能。即二氧化硅溶膠提高了八硼酸鈉在木材中的固著度，擴大了其適用范圍。但DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材的阻燃性能如何，仍需進一步確定。該文利用錐形量熱儀法（CONE）研究了八硼酸鈉與二氧化硅溶膠復合處理對木材燃燒成炭率的影響，從而并為判定DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材的阻燃性能提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

（1）杉木試件

實驗中所用的杉木取自浙江省杭州市臨安縣林場，樹齡12年。取各樹干距地面0.5～4 m部分進行去皮、切割、刨光等處理，將其加工成為100 mm× 100 mm×10 mm規格，用于成炭率測定。

（2）八硼酸鈉

采用常州市化學用料廠生產的八硼酸鈉，白色粉末或顆粒，易溶于水。配制成質量分數為5%的處理劑。

（3）硅溶膠

采用杭州卡瑞特化工有限公司生產的二氧化硅溶膠，為乳白色或淡青色透明溶液，基本成分為無定型的二氧化硅，分子式為mSiO2、nH2O，其中SiO2以膠團形態分散在水或有機溶劑中；具體參數：SiO2含量為25%，溶膠中穩定劑Na2O含量小于0.5%，呈微弱堿性[4]。

1.2 處理方法

（1）將試件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，測定初始質量W1。

（2）將試件置于真空加壓釜中，用真空泵抽真空30 min，真空度保持0.094 MPa。

（3）在真空狀態下向真空加壓釜中吸入DOT溶液，然后解除真空。

（4）打開氮氣加壓裝置，對真空加壓釜加壓至1.0 MPa，保持1 h，使阻燃劑進入木材。

（5）解除壓力，取出試件，沖洗并擦干表面。

（6）將試件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，測定處理后質量W2。計算載藥率WPG=（W2-W1）/W1。

（7）重復上述步驟，對試件進行硅溶膠浸注處理，得到初始載藥率。

1.3 成炭率測定

錐形量熱儀可模擬多種火焰強度，同時提供熱、煙、質量變化及煙氣成分等的相關參數和重要信息。試驗結果與大型燃燒試驗相關性良好，是一種小比例火災模擬試驗儀，被公認為具有科學性、合理性與先進性。CONE參數設置：輻射功率：50 kW/m2，相應溫度為780 ℃；每隔1s自動測一組數據。采用錐形量熱儀法（CONE）測定處理前后杉木試件燃燒過程的殘余質量隨時間變化的曲線，最終根據殘余質量計算成炭率。

2 結果與分析

2.1 殘余質量

由圖1可見，素材的Mass曲線很陡，在有焰燃燒階段（從燃燒開始至第250 s左右）質量急劇下降，表明可燃成分的分解與煙的釋放主要集中在這一階段。硅溶膠處理材的Mass曲線與素材比較相似；八硼酸鈉處理材和八硼酸鈉/硅溶膠復合處理材的Mass曲線比素材平緩，說明在燃燒過程中可燃物分解比較緩慢均勻，也即燃燒過程熱量釋放較均勻，這有利于避免溫峰的急速上升而導致火勢迅速蔓延，對于降低熱量向木材的反饋是非常有利的[5]。

2.2 成炭率

木材試樣在燃燒前后的質量如表1所示，計算得出各改性劑處理后的成炭率如圖2所示。素材成炭率為9.21%，表明燃燒非常充分，僅殘余一些灰燼。硅溶膠處理材的成炭率為38.6%，八硼酸鈉處理材的成炭率為42.26%，較素材大幅提高，分別為素材成炭率的4.2倍和4.6倍。說明硅溶膠與八硼酸鈉均能抑制木材的燃燒，減少可燃成分分解，提高殘余炭的質量。八硼酸鈉/硅溶膠復合處理材的成炭率為50.16%，為素材的5.4倍。說明八硼酸鈉/硅溶膠復合處理能大幅提高成炭率，抑制了木材的燃燒，阻燃效果明顯。同時八硼酸鈉/硅溶膠復合處理材較硅溶膠單一處理材成炭率提高了30%；較八硼酸鈉單一處理材成炭率提高了19%。說明硅溶膠與八硼酸鈉表現出較好的協同作用（圖2）。

3 結語

綜合以上結果與分析，可以得出要如下結論：木材試件經過八硼酸鈉與硅溶膠二次加壓浸注處理后所得到的DOT/SiO2/木材這一無機質復合木材，具有較好的阻燃性能，表現為成炭率達到了50.16%，是素材的5.4倍。八硼酸鈉與硅溶膠復合處理能大幅提高木材的成炭率，使可燃物分解比較緩慢均勻，表現出較好的協同作用。[6]

參考文獻

[1] 葉箐箐.碳酸鉀與硅溶膠復合對木材阻燃改性研究[J].新型建筑材料，2011（9）：24-28.

[2] 呂文華，趙廣杰.木材/木質復合材料阻燃技術現狀及發展趨勢[J].木材工業，2002（11）：31-34.

[3] 肖景波.四水八硼酸鈉的發展現狀及展望[J].河南化工，2008（25）：10-11.

[4] 葉箐箐.八硼酸鈉/硅溶膠對木材的改性研究[D].浙江大學，2012.

[5] 李堅，王清文.用CONE法研究木材阻燃劑FRW的阻燃性能[J].林業科學，2002（9）：108-115.

[6] 趙殊，趙英壁.抗流失性木材阻燃劑的研究[J].東北林業大學學報，1994（6）：57-63.endprint