Na2SiO3基木材胶黏剂的胶合与阻燃特性

刘晓梅，吴义强,2，姚春花，张新荔，胡云楚

Na2SiO3基木材胶黏剂的胶合与阻燃特性

刘晓梅1，吴义强1,2，姚春花1，张新荔1，胡云楚1

( 1.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2. 竹业湖南省工程研究中心，湖南 长沙 410004)

无机胶黏剂用于木质人造板生产时具有环保、防火等优良性能。以2.4、2.6、2.8、3.0模Na2SiO3溶液为主要原料，氧化镁、氧化铝为骨架物质，二氧化硅为固化剂，混合调制成一系列无机胶黏剂，并施加于杨木单板上，采用冷压成型工艺制备5层杨木胶合板，进而对该胶合板进行力学性能、耐水性及阻燃性能测试。结果表明：Na2SiO3基木材胶黏剂胶合样的胶合强度介于0.358至0.46 MPa之间，耐水性有待提高；热释放速率(HRR)、总热释放量(THR)和质量损失速率(MLR)均低于对照样，具有较好的阻燃效果。

木材；Na2SiO3； 胶合性能； 阻燃性能

目前，人造板工业所用三大胶种为酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂胶。尽管它们性能优良，胶接强度高，耐水性好，且合成工艺及使用技术较完善[1]，但不可避免地对环境造成污染，释放甲醛、酚类等有毒气体，成为木材行业不得不重视的问题[2]。而无机胶黏剂在人造板行业中用量不大，相关研究也比较滞后。但是其耐高温性能优越，可在-183～2 900℃的温度范围内使用，且胶接强度高，生产周期短[3]，更重要的是不存在上述污染问题，又能使易燃木材成为耐火材料，并可赋予其防腐、防水等优良性能，因此使用无机胶黏剂替代有机胶黏剂是未来人造板行业的发展方向之一[4]。

现阶段我国使用的无机胶黏剂主要是磷酸盐系列胶黏剂和硅酸盐系列胶黏剂。而磷的使用会带来一系列环境污染问题，因此在实际应用领域广泛使用硅酸盐胶黏剂。可溶性的碱金属硅酸盐的熔体呈玻璃状，溶于水所得的粘稠溶液叫做水玻璃，而通常我们所说的水玻璃就是硅酸钠。水玻璃有相当强的粘结能力，而且成本较低廉，是工业上重要的无机粘结剂。但是，硅酸钠的模数(即SiO2与Na2O的比值)的选取则是胶黏剂研制的关键因素，因为其直接影响胶黏剂的稳定性及粘接强度，模数增加，稳定性减弱；模数下降，粘接强度也降低。只有在最佳模数下，才能保证粘接强度及稳定性[5]，根据前人研究结果，作为胶黏剂主料的硅酸钠最佳模数介于2.8～3.5之间[6]。

在前期工作[7]的基础上，为研究的方便，笔者选用特定模数的Na2SiO3溶液为主料，以氧化镁、氧化铝为骨架物质，二氧化硅为固化剂，混合调制成一系列无机胶黏剂，采用冷压成型工艺制备5层杨木胶合板，然后对其进行胶合性能与燃烧性能测试，探索Na2SiO3基木材胶黏剂在人造板工业中应用的可能性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试剂：Na2SiO3溶液(上虞市强盛化工有限公司)，模数分别为2.4、2.6、2.8、3.0；氧化铝(天津大茂化学试剂厂)、氧化镁(西陇化工股份有限公司)和二氧化硅(西陇化工股份有限公司)，以上试剂均为分析纯；酚醛树脂胶(河北三木化工建材有限公司)。

试材：速生林杨木，采自湖南洞庭湖区，1.5 mm厚单板，含水率15%。

1.2 仪器设备

热压机，上海人造板机器厂，型号QD86107；微机控制电子式木材万能试验机，济南人造板厂，型号MWD-50；上皿电子天平，上海精科天平厂，型号FA2004，精度0.000 1 g；0.02 mm游标卡尺，上海恒盛工具有限公司；XMTE恒温水浴锅，佳敏仪表有限公司；锥形量热仪，英国燃烧测试技术公司，型号 Stanton Redcroft。

1.3 试验方法

1.3.1 胶黏剂的调制

分别称取420 g 4种模数的Na2SiO3溶液倒入4个500 mL烧杯中，氧化镁、氧化铝各210 g，固化剂二氧化硅各70 g，加入已称量好Na2SiO3的各烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀，制得Na2SiO3无机胶黏剂。

1.3.2 胶合板的制备

预先将杨木单板在室温通风条件下放置一段时间，使其含水率达到当地的木材平衡含水率，约13%。

睡眠障碍,主要表现为睡眠量不正常与睡眠中发作性异常。大量研究表明,睡眠障碍,与思想矛盾、脑力劳动、精神负担过重、病后体弱等因素有关[5]。目前,关于老年睡眠障碍,多给予药物治疗,例如,艾司唑仑、佐匹克隆等。

将杨木单板锯切成500 mm×500 mm幅面，上述调制的无机胶黏剂与酚醛树脂胶均采用手工刷涂的方式进行涂胶，使用常规的垂直纹理方式组坯成5层胶合板，施胶量400～450 g/m2。

采用冷压成型工艺，压力3.0～5.0 MPa，室温下保压12 h后卸板。在室温环境下放置7 d后进行裁边处理，并按照相关国家标准锯制试件。

1.3.3 性能检测

按照GB/T 9846.12检测所压制胶合板的胶合强度；根据GB/T 17657-1999检测试件24 h吸水厚度膨胀率来评价其耐水性；利用CONE法检测试件的阻燃性能。每个检测项目取4个试件，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 Na2SiO3基木材胶黏剂的胶合性能

胶合强度能较好地反映胶合板的胶合质量，在本试验中，辅以耐水性能综合评价Na2SiO3基无机胶黏剂的胶合性能。

如表1所示，使用Na2SiO3基木材胶黏剂所压制的胶合板的胶合强度较低，而24 h吸水厚度膨胀率较高，均达不到使用要求。但同时，在模数为2.8时，胶合强度最高且24 h吸水厚度膨胀率最低，由此可见，Na2SiO3模数对胶合强度和耐水性均有一定影响。

Na2SiO3溶液中的nSiO2是硅酸多分子聚合体构成的胶态颗粒，碱金属离子的作用在于保持平衡稳定。当硅酸钠与被粘物脱水反应时，从溶液中析出SiO2胶体，具有极大的活性，将被粘物黏合起来，形成SiO2凝胶的粘接接头。另一方面，Na2SiO3溶液与空气中的二氧化碳作用，析出氧化硅，也形成凝胶层：

表1 不同模数硅酸钠胶合样与对照样胶合强度及耐水性Table 1 Bonding strength and water resistance of Na2SiO3 specimens with different modulus and the contrast

微小的氧化物颗粒有的在Na2SiO3溶液中发生反应生成不溶性硅酸盐，有的形成新的阴离子如铝酸阴离子，促进了析出氧化硅胶体的凝胶过程。有些作为嵌定剂，其余成为凝聚和缠结的基础。由于凝胶的进一步增多，相对分子质量增大成为巨大的胶团，而把填料包裹在一起形成致密的结构，因此，在理论上，Na2SiO3基木材胶黏剂具有一定的胶合强度[8]。

在后续试验中，可以在该无机胶黏剂中添加硅烷偶联剂[10]、晶须等物质来提高其胶合强度。其次，在工艺上，还应对压力、时间、温度条件进行探索，以寻求最佳固化条件。

2.2 Na2SiO3基木材胶黏剂的阻燃性能

2.2.1 热释放速率(HRR)

热释放速率是评价材料火灾危险性的重要参数之一。一般地，热释放速率越大，大量热反馈至材料表面加快其热解速度，从而产生更多的挥发性可燃物，加速火焰传播，因此，材料的火灾危险性越大。

图1 不同模数硅酸钠胶合样与对照样的热释放速率Fig. 1 Heat release rate of Na2SiO3 specimens with different modulus and the contrast

由图1可以看出，5种试件在燃烧过程中均出现2次热释放速率峰值，而且在2个峰值之间存在一个稳定燃烧阶段。试件点燃后，其表面热解产物快速燃烧，形成第1个热释放速率峰值，随着试件表面炭化，在炭层的阻隔作用下，其热释放速率减小，处于一个稳定状态，在燃烧结束前，试件温度迅速升高，其热解速度加快，形成第2个热释放速率峰值。由图1也易知，对照组试件的热释放速率远远大于本实验中的无机胶黏剂所胶合的试件。硅酸钠胶合样与对照样燃烧后的外观见图2。

图2 硅酸钠胶合样与对照样燃烧后的外观Fig. 2 Appearances of Na2SiO3 specimens and the contrast after burned

2.2.2 总热释放量(THR)

总热释放量是单位面积的材料从着火到燃烧全过程中所释放热量的总和。一般地，总热释放量愈大，材料的火灾危险性愈大。

由图3可知，对照组试件的总热释放量远远高于本实验中使用无机胶黏剂的试件的释放量。因此，相对于有机胶黏剂，无机胶粘剂在阻燃效果上有较好表现。

图3 不同模数硅酸钠胶合样与对照样的总热释放量Fig. 3 Total heat release of Na2SiO3 specimens with different modulus and the contrast

而在4种模数的Na2SiO3中，2.8模在240 s就已经停止燃烧，结合实验现象，观察到该试样在热辐射作用下只烧完表层木材，到胶层时就不再燃烧，因此说明Na2SiO3基木材胶黏剂具有较好的阻燃效果。

2.2.3 质量损失特性

主要依据质量损失速率(MLR)来评价试件的质量损失特性。MLR是指燃烧样品在燃烧过程中质量随时间的变化率，它反映了材料在一定火强度下的热裂解、挥发及燃烧程度。质量损失速率曲线下的总面积为试件总的质量损失。质量损失越大，燃烧越充分，耐燃烧性能越差。

由图4可知，各条曲线的波动幅度均较大，对照组试件的质量损失速率峰值与本实验中采用Na2SiO3胶合样对应值近似，然而，对照组试件总质量损失较Na2SiO3胶合样大，即Na2SiO3胶合样在燃烧后能保留更多的剩余质量，维持材料原有强度，同时说明被燃烧的木材更少，所释放的热量更少。因此，从质量损失方面考虑，Na2SiO3胶合样较对照样具有更好的阻燃性能。初步推测是Na2SiO3中的-Si-O-在高温作用下先分解再进行重排，较好地保持了主链的完整度[11]。

图4 不同模数硅酸钠胶合样与对照样的质量损失特性Fig. 4 Mass lose rate of Na2SiO3 specimens with different modulus and the contrast

3 结 论

(1)Na2SiO3基木材胶黏剂具有一定的胶合强度，但尚未达到有机胶黏剂在粘接板材时的效果，Na2SiO3基无机胶黏剂耐水性不如有机胶黏剂，还需要较大改进。

(2)通过胶合性能测试，表明使用不同模数的Na2SiO3所压制的板材胶合性能有明显差异，模数为2.8的Na2SiO3做无机胶的主料时，胶合效果最好。

(3)相对于有机胶黏剂，使用Na2SiO3的无机胶黏剂能减缓木材燃烧时的热释放速率，减少总热释放量，因而能有效地抑制火传播和蔓延，质量损失也相对较少，具有较好的阻燃效果。

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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

国家林业公益性行业科研重大专项 (201204704)；国家“十二五”科技计划课题(2012BAD24B03)；教育部博士点基金项目(20114321110005)；湖南省科技重大专项(2011FJ1006 )；国家自然科学基金(31070496)；湖南省杰出青年基金项目(09JJ1003)；湖南省科技领军人才培养资助项目(2011RS4021)；湖南省研究生科研创新项目(CX2011B321)；中南林业科技大学木材科学与技术国家重点学科资助；中南林业科技大学研究生科技创新基金项目(2009SX07)

刘晓梅(1988—)，女，安徽阜阳人，硕士研究生，主要从事木材材性及功能性改良方面的研究

吴义强(1967—)，男，河南固始人，教授，博士，博士生导师，主要从事木材材性、木材功能性改良及物质复合的研究；E-mail:wuyq0506@126.com

[本文编校：谢荣秀]