八硼酸钠与硅溶胶复合对建筑木材燃烧成炭率的影响研究

叶箐箐　朱兆平

摘 要：为研究八硼酸钠与硅溶胶复合处理对建筑木材燃烧成炭率的影响，该文采用八硼酸钠（DOT）与二氧化硅溶胶（SiO2）对杉木试件进行二次加压浸注处理，制得DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材。采用锥形量热仪法（CONE）测定了其成炭率。结果表明：杉木试件经DOT/SiO2复合处理之后，成炭率达到了50.16%，是素材的5.4倍。说明八硼酸钠与硅溶胶复合处理能大幅提高木材燃烧的成炭率，且两者表现出较好的协同作用。

关键词：成炭率 八硼酸钠 硅溶胶

中图分类号：S781 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0049-02

木材具有良好的视觉特性、触觉特性、调温调湿机能和较高的强重比等特点，且是一种可再生环保型建筑材料，因此被广泛应用于建筑结构、建筑装饰等领域。但是木材固有的易燃性不仅限制了其应用范围，同时也给人们的生产生活带来了巨大的损失[1]。据统计，2012年我国共发生火灾11万起，直接财产损失12.5亿元。由此可见，木材阻燃剂的研究与开发，对于预防和减少建筑火灾的损失具有重要的意义。木材阻燃剂是一类能赋予木材难燃性质的化学物质[2]。不同类型的阻燃剂因其成分的差异，表现出不同的阻燃效果，诸如延长点燃时间、降低热释放速率、减少总放热量等。燃烧成炭率，即燃烧剩余物质量占燃烧前总质量的百分率，是衡量阻燃效果的有效指标之一。因为木材燃烧的过程，即木材中的可燃成分受热分解并释放出烟和气体的过程。成炭率越高，表明可燃物残余量就越大，燃烧就越不充分，阻燃效果越好。

八硼酸钠（DOT）是一种环保型阻燃剂，为粉状非晶态微粒，速溶于水。由硼酸钠的水合物及其他原料改性而成，是硼酸盐的聚合物。无色、无味，对人畜和环境无危害；pH值接近于中性，因此对木材的酸碱性质无影响；处理后不改变材色，不改变木材的力学强度，便于着色、油漆与胶合[3]。但因其作为无机阻燃剂水溶性较大，容易流失从而限制了其在木材阻燃领域的使用范围；二氧化硅溶胶（SiO2）具有良好的抗流失性能，但其阻燃性能仍有较大的改进空间。但采用八硼酸钠与二氧化硅溶胶这两种环保型阻燃剂，对杉木试件进行二次加压浸注处理，制得DOT/SiO2/木材表现出较好的抗流失性能。即二氧化硅溶胶提高了八硼酸钠在木材中的固着度，扩大了其适用范围。但DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材的阻燃性能如何，仍需进一步确定。该文利用锥形量热仪法（CONE）研究了八硼酸钠与二氧化硅溶胶复合处理对木材燃烧成炭率的影响，从而并为判定DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材的阻燃性能提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

（1）杉木试件

实验中所用的杉木取自浙江省杭州市临安县林场，树龄12年。取各树干距地面0.5～4 m部分进行去皮、切割、刨光等处理，将其加工成为100 mm× 100 mm×10 mm规格，用于成炭率测定。

（2）八硼酸钠

采用常州市化学用料厂生产的八硼酸钠，白色粉末或颗粒，易溶于水。配制成质量分数为5%的处理剂。

（3）硅溶胶

采用杭州卡瑞特化工有限公司生产的二氧化硅溶胶，为乳白色或淡青色透明溶液，基本成分为无定型的二氧化硅，分子式为mSiO2、nH2O，其中SiO2以胶团形态分散在水或有机溶剂中；具体参数：SiO2含量为25%，溶胶中稳定剂Na2O含量小于0.5%，呈微弱碱性[4]。

1.2 处理方法

（1）将试件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，测定初始质量W1。

（2）将试件置于真空加压釜中，用真空泵抽真空30 min，真空度保持0.094 MPa。

（3）在真空状态下向真空加压釜中吸入DOT溶液，然后解除真空。

（4）打开氮气加压装置，对真空加压釜加压至1.0 MPa，保持1 h，使阻燃剂进入木材。

（5）解除压力，取出试件，冲洗并擦干表面。

（6）将试件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，测定处理后质量W2。计算载药率WPG=（W2-W1）/W1。

（7）重复上述步骤，对试件进行硅溶胶浸注处理，得到初始载药率。

1.3 成炭率测定

锥形量热仪可模拟多种火焰强度，同时提供热、烟、质量变化及烟气成分等的相关参数和重要信息。试验结果与大型燃烧试验相关性良好，是一种小比例火灾模拟试验仪，被公认为具有科学性、合理性与先进性。CONE参数设置：辐射功率：50 kW/m2，相应温度为780 ℃；每隔1s自动测一组数据。采用锥形量热仪法（CONE）测定处理前后杉木试件燃烧过程的残余质量随时间变化的曲线，最终根据残余质量计算成炭率。

2 结果与分析

2.1 残余质量

由图1可见，素材的Mass曲线很陡，在有焰燃烧阶段（从燃烧开始至第250 s左右）质量急剧下降，表明可燃成分的分解与烟的释放主要集中在这一阶段。硅溶胶处理材的Mass曲线与素材比较相似；八硼酸钠处理材和八硼酸钠/硅溶胶复合处理材的Mass曲线比素材平缓，说明在燃烧过程中可燃物分解比较缓慢均匀，也即燃烧过程热量释放较均匀，这有利于避免温峰的急速上升而导致火势迅速蔓延，对于降低热量向木材的反馈是非常有利的[5]。

2.2 成炭率

木材试样在燃烧前后的质量如表1所示，计算得出各改性剂处理后的成炭率如图2所示。素材成炭率为9.21%，表明燃烧非常充分，仅残余一些灰烬。硅溶胶处理材的成炭率为38.6%，八硼酸钠处理材的成炭率为42.26%，较素材大幅提高，分别为素材成炭率的4.2倍和4.6倍。说明硅溶胶与八硼酸钠均能抑制木材的燃烧，减少可燃成分分解，提高残余炭的质量。八硼酸钠/硅溶胶复合处理材的成炭率为50.16%，为素材的5.4倍。说明八硼酸钠/硅溶胶复合处理能大幅提高成炭率，抑制了木材的燃烧，阻燃效果明显。同时八硼酸钠/硅溶胶复合处理材较硅溶胶单一处理材成炭率提高了30%；较八硼酸钠单一处理材成炭率提高了19%。说明硅溶胶与八硼酸钠表现出较好的协同作用（图2）。

3 结语

综合以上结果与分析，可以得出要如下结论：木材试件经过八硼酸钠与硅溶胶二次加压浸注处理后所得到的DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材，具有较好的阻燃性能，表现为成炭率达到了50.16%，是素材的5.4倍。八硼酸钠与硅溶胶复合处理能大幅提高木材的成炭率，使可燃物分解比较缓慢均匀，表现出较好的协同作用。[6]

参考文献

[1] 叶箐箐.碳酸钾与硅溶胶复合对木材阻燃改性研究[J].新型建筑材料，2011（9）：24-28.

[2] 吕文华，赵广杰.木材/木质复合材料阻燃技术现状及发展趋势[J].木材工业，2002（11）：31-34.

[3] 肖景波.四水八硼酸钠的发展现状及展望[J].河南化工，2008（25）：10-11.

[4] 叶箐箐.八硼酸钠/硅溶胶对木材的改性研究[D].浙江大学，2012.

[5] 李坚，王清文.用CONE法研究木材阻燃剂FRW的阻燃性能[J].林业科学，2002（9）：108-115.

[6] 赵殊，赵英壁.抗流失性木材阻燃剂的研究[J].东北林业大学学报，1994（6）：57-63.endprint

摘 要：为研究八硼酸钠与硅溶胶复合处理对建筑木材燃烧成炭率的影响，该文采用八硼酸钠（DOT）与二氧化硅溶胶（SiO2）对杉木试件进行二次加压浸注处理，制得DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材。采用锥形量热仪法（CONE）测定了其成炭率。结果表明：杉木试件经DOT/SiO2复合处理之后，成炭率达到了50.16%，是素材的5.4倍。说明八硼酸钠与硅溶胶复合处理能大幅提高木材燃烧的成炭率，且两者表现出较好的协同作用。

关键词：成炭率 八硼酸钠 硅溶胶

中图分类号：S781 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0049-02

木材具有良好的视觉特性、触觉特性、调温调湿机能和较高的强重比等特点，且是一种可再生环保型建筑材料，因此被广泛应用于建筑结构、建筑装饰等领域。但是木材固有的易燃性不仅限制了其应用范围，同时也给人们的生产生活带来了巨大的损失[1]。据统计，2012年我国共发生火灾11万起，直接财产损失12.5亿元。由此可见，木材阻燃剂的研究与开发，对于预防和减少建筑火灾的损失具有重要的意义。木材阻燃剂是一类能赋予木材难燃性质的化学物质[2]。不同类型的阻燃剂因其成分的差异，表现出不同的阻燃效果，诸如延长点燃时间、降低热释放速率、减少总放热量等。燃烧成炭率，即燃烧剩余物质量占燃烧前总质量的百分率，是衡量阻燃效果的有效指标之一。因为木材燃烧的过程，即木材中的可燃成分受热分解并释放出烟和气体的过程。成炭率越高，表明可燃物残余量就越大，燃烧就越不充分，阻燃效果越好。

八硼酸钠（DOT）是一种环保型阻燃剂，为粉状非晶态微粒，速溶于水。由硼酸钠的水合物及其他原料改性而成，是硼酸盐的聚合物。无色、无味，对人畜和环境无危害；pH值接近于中性，因此对木材的酸碱性质无影响；处理后不改变材色，不改变木材的力学强度，便于着色、油漆与胶合[3]。但因其作为无机阻燃剂水溶性较大，容易流失从而限制了其在木材阻燃领域的使用范围；二氧化硅溶胶（SiO2）具有良好的抗流失性能，但其阻燃性能仍有较大的改进空间。但采用八硼酸钠与二氧化硅溶胶这两种环保型阻燃剂，对杉木试件进行二次加压浸注处理，制得DOT/SiO2/木材表现出较好的抗流失性能。即二氧化硅溶胶提高了八硼酸钠在木材中的固着度，扩大了其适用范围。但DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材的阻燃性能如何，仍需进一步确定。该文利用锥形量热仪法（CONE）研究了八硼酸钠与二氧化硅溶胶复合处理对木材燃烧成炭率的影响，从而并为判定DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材的阻燃性能提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

（1）杉木试件

实验中所用的杉木取自浙江省杭州市临安县林场，树龄12年。取各树干距地面0.5～4 m部分进行去皮、切割、刨光等处理，将其加工成为100 mm× 100 mm×10 mm规格，用于成炭率测定。

（2）八硼酸钠

采用常州市化学用料厂生产的八硼酸钠，白色粉末或颗粒，易溶于水。配制成质量分数为5%的处理剂。

（3）硅溶胶

采用杭州卡瑞特化工有限公司生产的二氧化硅溶胶，为乳白色或淡青色透明溶液，基本成分为无定型的二氧化硅，分子式为mSiO2、nH2O，其中SiO2以胶团形态分散在水或有机溶剂中；具体参数：SiO2含量为25%，溶胶中稳定剂Na2O含量小于0.5%，呈微弱碱性[4]。

1.2 处理方法

（1）将试件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，测定初始质量W1。

（2）将试件置于真空加压釜中，用真空泵抽真空30 min，真空度保持0.094 MPa。

（3）在真空状态下向真空加压釜中吸入DOT溶液，然后解除真空。

（4）打开氮气加压装置，对真空加压釜加压至1.0 MPa，保持1 h，使阻燃剂进入木材。

（5）解除压力，取出试件，冲洗并擦干表面。

（6）将试件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，测定处理后质量W2。计算载药率WPG=（W2-W1）/W1。

（7）重复上述步骤，对试件进行硅溶胶浸注处理，得到初始载药率。

1.3 成炭率测定

锥形量热仪可模拟多种火焰强度，同时提供热、烟、质量变化及烟气成分等的相关参数和重要信息。试验结果与大型燃烧试验相关性良好，是一种小比例火灾模拟试验仪，被公认为具有科学性、合理性与先进性。CONE参数设置：辐射功率：50 kW/m2，相应温度为780 ℃；每隔1s自动测一组数据。采用锥形量热仪法（CONE）测定处理前后杉木试件燃烧过程的残余质量随时间变化的曲线，最终根据残余质量计算成炭率。

2 结果与分析

2.1 残余质量

由图1可见，素材的Mass曲线很陡，在有焰燃烧阶段（从燃烧开始至第250 s左右）质量急剧下降，表明可燃成分的分解与烟的释放主要集中在这一阶段。硅溶胶处理材的Mass曲线与素材比较相似；八硼酸钠处理材和八硼酸钠/硅溶胶复合处理材的Mass曲线比素材平缓，说明在燃烧过程中可燃物分解比较缓慢均匀，也即燃烧过程热量释放较均匀，这有利于避免温峰的急速上升而导致火势迅速蔓延，对于降低热量向木材的反馈是非常有利的[5]。

2.2 成炭率

木材试样在燃烧前后的质量如表1所示，计算得出各改性剂处理后的成炭率如图2所示。素材成炭率为9.21%，表明燃烧非常充分，仅残余一些灰烬。硅溶胶处理材的成炭率为38.6%，八硼酸钠处理材的成炭率为42.26%，较素材大幅提高，分别为素材成炭率的4.2倍和4.6倍。说明硅溶胶与八硼酸钠均能抑制木材的燃烧，减少可燃成分分解，提高残余炭的质量。八硼酸钠/硅溶胶复合处理材的成炭率为50.16%，为素材的5.4倍。说明八硼酸钠/硅溶胶复合处理能大幅提高成炭率，抑制了木材的燃烧，阻燃效果明显。同时八硼酸钠/硅溶胶复合处理材较硅溶胶单一处理材成炭率提高了30%；较八硼酸钠单一处理材成炭率提高了19%。说明硅溶胶与八硼酸钠表现出较好的协同作用（图2）。

3 结语

综合以上结果与分析，可以得出要如下结论：木材试件经过八硼酸钠与硅溶胶二次加压浸注处理后所得到的DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材，具有较好的阻燃性能，表现为成炭率达到了50.16%，是素材的5.4倍。八硼酸钠与硅溶胶复合处理能大幅提高木材的成炭率，使可燃物分解比较缓慢均匀，表现出较好的协同作用。[6]

参考文献

[1] 叶箐箐.碳酸钾与硅溶胶复合对木材阻燃改性研究[J].新型建筑材料，2011（9）：24-28.

[2] 吕文华，赵广杰.木材/木质复合材料阻燃技术现状及发展趋势[J].木材工业，2002（11）：31-34.

[3] 肖景波.四水八硼酸钠的发展现状及展望[J].河南化工，2008（25）：10-11.

[4] 叶箐箐.八硼酸钠/硅溶胶对木材的改性研究[D].浙江大学，2012.

[5] 李坚，王清文.用CONE法研究木材阻燃剂FRW的阻燃性能[J].林业科学，2002（9）：108-115.

[6] 赵殊，赵英壁.抗流失性木材阻燃剂的研究[J].东北林业大学学报，1994（6）：57-63.endprint

摘 要：为研究八硼酸钠与硅溶胶复合处理对建筑木材燃烧成炭率的影响，该文采用八硼酸钠（DOT）与二氧化硅溶胶（SiO2）对杉木试件进行二次加压浸注处理，制得DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材。采用锥形量热仪法（CONE）测定了其成炭率。结果表明：杉木试件经DOT/SiO2复合处理之后，成炭率达到了50.16%，是素材的5.4倍。说明八硼酸钠与硅溶胶复合处理能大幅提高木材燃烧的成炭率，且两者表现出较好的协同作用。

关键词：成炭率 八硼酸钠 硅溶胶

中图分类号：S781 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0049-02

木材具有良好的视觉特性、触觉特性、调温调湿机能和较高的强重比等特点，且是一种可再生环保型建筑材料，因此被广泛应用于建筑结构、建筑装饰等领域。但是木材固有的易燃性不仅限制了其应用范围，同时也给人们的生产生活带来了巨大的损失[1]。据统计，2012年我国共发生火灾11万起，直接财产损失12.5亿元。由此可见，木材阻燃剂的研究与开发，对于预防和减少建筑火灾的损失具有重要的意义。木材阻燃剂是一类能赋予木材难燃性质的化学物质[2]。不同类型的阻燃剂因其成分的差异，表现出不同的阻燃效果，诸如延长点燃时间、降低热释放速率、减少总放热量等。燃烧成炭率，即燃烧剩余物质量占燃烧前总质量的百分率，是衡量阻燃效果的有效指标之一。因为木材燃烧的过程，即木材中的可燃成分受热分解并释放出烟和气体的过程。成炭率越高，表明可燃物残余量就越大，燃烧就越不充分，阻燃效果越好。

八硼酸钠（DOT）是一种环保型阻燃剂，为粉状非晶态微粒，速溶于水。由硼酸钠的水合物及其他原料改性而成，是硼酸盐的聚合物。无色、无味，对人畜和环境无危害；pH值接近于中性，因此对木材的酸碱性质无影响；处理后不改变材色，不改变木材的力学强度，便于着色、油漆与胶合[3]。但因其作为无机阻燃剂水溶性较大，容易流失从而限制了其在木材阻燃领域的使用范围；二氧化硅溶胶（SiO2）具有良好的抗流失性能，但其阻燃性能仍有较大的改进空间。但采用八硼酸钠与二氧化硅溶胶这两种环保型阻燃剂，对杉木试件进行二次加压浸注处理，制得DOT/SiO2/木材表现出较好的抗流失性能。即二氧化硅溶胶提高了八硼酸钠在木材中的固着度，扩大了其适用范围。但DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材的阻燃性能如何，仍需进一步确定。该文利用锥形量热仪法（CONE）研究了八硼酸钠与二氧化硅溶胶复合处理对木材燃烧成炭率的影响，从而并为判定DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材的阻燃性能提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

（1）杉木试件

实验中所用的杉木取自浙江省杭州市临安县林场，树龄12年。取各树干距地面0.5～4 m部分进行去皮、切割、刨光等处理，将其加工成为100 mm× 100 mm×10 mm规格，用于成炭率测定。

（2）八硼酸钠

采用常州市化学用料厂生产的八硼酸钠，白色粉末或颗粒，易溶于水。配制成质量分数为5%的处理剂。

（3）硅溶胶

采用杭州卡瑞特化工有限公司生产的二氧化硅溶胶，为乳白色或淡青色透明溶液，基本成分为无定型的二氧化硅，分子式为mSiO2、nH2O，其中SiO2以胶团形态分散在水或有机溶剂中；具体参数：SiO2含量为25%，溶胶中稳定剂Na2O含量小于0.5%，呈微弱碱性[4]。

1.2 处理方法

（1）将试件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，测定初始质量W1。

（2）将试件置于真空加压釜中，用真空泵抽真空30 min，真空度保持0.094 MPa。

（3）在真空状态下向真空加压釜中吸入DOT溶液，然后解除真空。

（4）打开氮气加压装置，对真空加压釜加压至1.0 MPa，保持1 h，使阻燃剂进入木材。

（5）解除压力，取出试件，冲洗并擦干表面。

（6）将试件置于烘箱中，103 ℃下烘12 h，测定处理后质量W2。计算载药率WPG=（W2-W1）/W1。

（7）重复上述步骤，对试件进行硅溶胶浸注处理，得到初始载药率。

1.3 成炭率测定

锥形量热仪可模拟多种火焰强度，同时提供热、烟、质量变化及烟气成分等的相关参数和重要信息。试验结果与大型燃烧试验相关性良好，是一种小比例火灾模拟试验仪，被公认为具有科学性、合理性与先进性。CONE参数设置：辐射功率：50 kW/m2，相应温度为780 ℃；每隔1s自动测一组数据。采用锥形量热仪法（CONE）测定处理前后杉木试件燃烧过程的残余质量随时间变化的曲线，最终根据残余质量计算成炭率。

2 结果与分析

2.1 残余质量

由图1可见，素材的Mass曲线很陡，在有焰燃烧阶段（从燃烧开始至第250 s左右）质量急剧下降，表明可燃成分的分解与烟的释放主要集中在这一阶段。硅溶胶处理材的Mass曲线与素材比较相似；八硼酸钠处理材和八硼酸钠/硅溶胶复合处理材的Mass曲线比素材平缓，说明在燃烧过程中可燃物分解比较缓慢均匀，也即燃烧过程热量释放较均匀，这有利于避免温峰的急速上升而导致火势迅速蔓延，对于降低热量向木材的反馈是非常有利的[5]。

2.2 成炭率

木材试样在燃烧前后的质量如表1所示，计算得出各改性剂处理后的成炭率如图2所示。素材成炭率为9.21%，表明燃烧非常充分，仅残余一些灰烬。硅溶胶处理材的成炭率为38.6%，八硼酸钠处理材的成炭率为42.26%，较素材大幅提高，分别为素材成炭率的4.2倍和4.6倍。说明硅溶胶与八硼酸钠均能抑制木材的燃烧，减少可燃成分分解，提高残余炭的质量。八硼酸钠/硅溶胶复合处理材的成炭率为50.16%，为素材的5.4倍。说明八硼酸钠/硅溶胶复合处理能大幅提高成炭率，抑制了木材的燃烧，阻燃效果明显。同时八硼酸钠/硅溶胶复合处理材较硅溶胶单一处理材成炭率提高了30%；较八硼酸钠单一处理材成炭率提高了19%。说明硅溶胶与八硼酸钠表现出较好的协同作用（图2）。

3 结语

综合以上结果与分析，可以得出要如下结论：木材试件经过八硼酸钠与硅溶胶二次加压浸注处理后所得到的DOT/SiO2/木材这一无机质复合木材，具有较好的阻燃性能，表现为成炭率达到了50.16%，是素材的5.4倍。八硼酸钠与硅溶胶复合处理能大幅提高木材的成炭率，使可燃物分解比较缓慢均匀，表现出较好的协同作用。[6]

参考文献

[1] 叶箐箐.碳酸钾与硅溶胶复合对木材阻燃改性研究[J].新型建筑材料，2011（9）：24-28.

[2] 吕文华，赵广杰.木材/木质复合材料阻燃技术现状及发展趋势[J].木材工业，2002（11）：31-34.

[3] 肖景波.四水八硼酸钠的发展现状及展望[J].河南化工，2008（25）：10-11.

[4] 叶箐箐.八硼酸钠/硅溶胶对木材的改性研究[D].浙江大学，2012.

[5] 李坚，王清文.用CONE法研究木材阻燃剂FRW的阻燃性能[J].林业科学，2002（9）：108-115.

[6] 赵殊，赵英壁.抗流失性木材阻燃剂的研究[J].东北林业大学学报，1994（6）：57-63.endprint