硅溶胶预处理对炭化橡胶木防白蚁及阻燃性能的影响

李民　李晓文　蒋汇川　陆全济　李冠君　李家宁

摘 要 通过硅溶胶浸注预处理获得橡胶木浸注材，再将橡胶木和浸注材分别于185 ℃和200 ℃下热改性处理，研究了硅溶胶预处理对炭化橡胶木防白蚁及阻燃性能的影响。结果表明：蚁蛀等级分别从4提升至3.8和4提升至3.75；埋地1 a后完好指数分别从1.3提升至5.9和2.5提升至5.4；氧指数分别提高16.40%和20.16%；EMC无显著变化；气干密度分别提高18.58%和22.03%；弦向气干湿胀率分别降低了10.27%和9.17%，径向气干湿胀率分别降低了15.00%和17.57%；弦向ASE分别提高了21.75%和11.56%，径向ASE分别提高了20.00%和19.71%。

关键词 硅溶胶；预处理；热处理；橡胶木；防白蚁性能；阻燃性能

中图分类号 S794.1 文献标识码 A

Abstract Rubber wood were impregnated with silica sol， then both control specimens and impregnated specimens were heat-treated by 185 ℃ and 200 ℃. The effects of silica sol pretreatment on termite resistance and fire retardant of heat-treated rubber wood were studied. The results showed that termite decay level raised from 4 to 3.8 and from 4 to 3.75， persistence index raised from 1.3 to 5.9 and from 2.5 to 5.4 after one year of field test， oxygen index increased by 16.40% and 20.16%， EMC had no significant change， air-dry density increased by 18.58% and 22.03%， tangential air-dry swelling properties decreased by 10.27% and 9.17%， radial air-dry swelling properties decreased by 15.00% and 17.57%， tangential ASE increased by 21.75% and 11.56%， radial ASE increased by 20.00% and 19.71%.

Key words Silica sol；Pretreatment；Heat treatment；Rubber wood；Termite resistance；Fire retardant

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.07.022

橡胶木是种植橡胶（Hevea brasiliensis）的副产资源，每年胶园更新出产原木约200万m3，是热带地区重要的人工林商品材。采用热处理（俗称炭化）技术对橡胶木进行改性，能降低其平衡含水率，提高其尺寸稳定性和耐腐性能，并赋予其类似热带硬木的深褐色外观，具有较好的工业化生产前景。然而，橡胶木炭化后防白蚁性能没有改善[1]，影响了其在室内家居装饰和户外园林景观中的应用，尤其是中国长江以南的区域Ⅳ——既有散白蚁又有家白蚁的严重危害区[2]。此外，炭化无法改善橡胶木的阻燃性能，也在一定程度上限制了其使用范围。

硅系化合物含有Si-O-Si键，呈网络结构，具有高熔点、强硬度、韧性好等的优点，在木材改性及木材无机质复合材料的制备中有着广泛的应用。溶胶-凝胶法是制备SiO2/木材复合材料的典型方法，细胞壁内形成的凝胶量越多时，表现出的尺寸稳定性和阻燃效果就越好[3]。为了提高凝胶量和增重率（WPG），在溶胶-凝胶过程中进行超声波处理，WPG可提高15%～30%，且制备的二氧化硅-木材纳米复合材料能有效地阻止白蚁的入侵[4-5]。浸注改性也是常见的木材改性方法，选用不同的硅系化合物浸注木材，改善的性能指标和效果各不相同。采用季铵硅树脂微乳液和氨基硅树脂乳液浸注时，WPG不足15%即具备防白蚁性能；采用烷基改性硅树脂乳液和水玻璃浸注时，只有在高WPG情况下才能有效避免白蚁的攻击[6]。而选择阳离子硅溶胶浸注木材，其阻燃效力则随着WPG的提高而升高[7]。此外，通过硅系与其他化合物复合形成二元或三元体系，浸注后同样具备良好的改性效果。例如K2CO3与硅溶胶对木材进行二次加压浸注处理，得到的复合材点燃时间较未处理材延长1倍左右，热释放速率及总量下降30%左右，抑烟性能非常显著[8]。再如用脲醛树脂/丙烯酸酯乳液/硅溶胶三元复合浸渍液改性木材，使复合材的热稳定性明显提高，氧指数也有所提高[9]。由此可见，采用硅系化合物改性能提高木材的防白蚁及阻燃性能，但将其浸注预处理改善炭化木性能的研究则鲜见报道。

因此，本研究选取粘度较低、渗透性较好的硅溶胶作为浸注改性液，采用先浸注预处理再炭化的工艺，探索其对炭化橡胶木防白蚁及阻燃性能的影响，为改善炭化橡胶木的性能，拓展其应用领域，提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试材：橡胶木，树龄35 a，品系为PR107，产自海南省儋州市八一农场，取距地面1.3 m以上长度为2 m的原木一段，锯解成径向板，干燥至含水率12%，选其中无黑线、无节疤的板四面刨光备用。

浸注改性液：碱性硅溶胶（工业级），固体含量为30%，粘度为12 s（涂-4杯，25 ℃），pH值为9.2。

1.2 方法

1.2.1 浸注预处理 采用真空加压法，工艺参数由前期浸注试验结果确定，即先抽真空至-0.08 MPa，保持20 min后恢复常压，平衡5 min后，再加压至1.4 MPa，保持40 min后卸压。经浸注预处理后，试件的增重率为16%～20%。

1.2.2 热处理 前期研究中笔者获得了不同温度下橡胶木热处理材多项性能指标，据此选取185 ℃和200 ℃ 2个有代表性的温度，热处理时间均为3 h，采用过热蒸汽作为传热介质和保护气体。

1.2.3 性能检测 按照GB/T 18260-2000《木材防腐剂对白蚁毒效实验室试验方法》测定蚁蛀等级；按照GB/T 13942.2-2009《木材耐久性能 第2部分：天然耐久性野外试验方法》测定蚁蛀完好指数；按照GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为第2部分：室温试验》测定氧指数；按照GB/T 1933-2009《木材密度测定方法》测定气干密3度；按照GB 1931-2009《木材含水率测定方法》测定平衡含水率；按照GB 1934.2-2009《木材湿胀性测定方法》测定径向及弦向气干湿胀率；抗湿胀系数（ASE）计算公式为：ASE=（S0-S1）/S0×100%，式中S0为对照材的线性气干湿胀率，S1为改性材的线性气干湿胀率。

蚁蛀等级测定的试件规格为50 mm×25 mm×15 mm，每个工艺处理5个试件；蚁蛀完好指数测定的试件规格为300 mm×20 mm×20 mm，每个工艺处理10个试件；氧指数测定的试件规格为100 mm×10 mm×10 mm，每个工艺处理15个试件；气干密度、平衡含水率及气干湿胀率测定的试件规格为20 mm×20 mm×20 mm（标准径弦向），每个工艺处理10个试件。

1.2.4 数据分析 采用软件Microsoft Office Excel对数据进行处理，采用软件SPSS对数据进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 防白蚁性能

橡胶木对照及不同工艺处理材的实验室白蚁试验结果如表1所示。由表1可知，各组试件的平均白蚁存活率均超过50%，说明供试木材对白蚁的毒性很低，同时说明本测试结果有效；此外，各组试件的平均失重率均超过12%，平均蚁蛀等级均超过3，说明供试木材无法抵抗白蚁的危害。但是，浸注-热处理材的失重率均低于热处理材，分别低了17.31%和9.93%，且蚁蛀等级也略低，说明硅溶胶对防白蚁有一定的毒害作用，可毒性较低，仍无法抵抗白蚁的蛀蚀。

橡胶木对照及不同工艺处理材的野外埋地白蚁试验结果如表2所示。由表2可知，2个温度热处理材的完好指数在6个月时均低于对照材；而12个月时，对照及185 ℃热处理材均已低于1.6，200 ℃热处理材则也接近1.6。这与前期研究结果类似[1]，再次表明炭化无法改善橡胶木的防白蚁性能。同时，埋地6个月及12个月的结果还显示：浸注-热处理材的完好指数均明显高于热处理材，表明硅溶胶浸注预处理能在一定程度上抑制白蚁蛀蚀，对炭化橡胶木的防白蚁性能有明显的提高。造成该结果的原因可能为：硅溶胶干燥固化产生的SiO2包覆了木材细胞壁，在一定程度上阻碍了白蚁对木材基质的识别。

2.2 氧指数

橡胶木对照及不同工艺处理材的氧指数如图1所示。由图1可知，2个温度热处理材的氧指数均略低于对照材，表明热处理材更易燃烧。主要原因可能是木材在炭化过程中主要成分发生了不同程度的热降解，导致热稳定性降低进而变得更易燃烧。此外，浸注-热处理材的氧指数均高于热处理材，分别高了16.40%和20.16%，表明硅溶胶浸注预处理对炭化橡胶木的阻燃性能有一定的提高。对于此现象，原因可能是复合木材的细胞腔及细胞间隙中含有大量的SiO2，耐高温的SiO2可有效地延缓热量传递，隔绝木材与氧气的接触，阻止了可燃气体的产生和逸出，从而提高了木材的热稳定性[10]。

2.3 气干密度及平衡含水率（EMC）

橡胶木对照及不同工艺处理材的气干密度及EMC如表3所示。由表3可知，热处理材的气干密度均显著低于对照材，而浸注-热处理材则显著高于热处理材，分别提高了18.58%和22.03%。硅溶胶干燥固化后形成SiO2沉积在木材内部，且在热处理过程中不会降解损失，因而显著提升了热处理材的密度。同时，热处理材和浸注-热处理材的EMC均显著低于对照材，而二者之间并无显著差异。其原因可能为：EMC的降低主要是吸湿基团——羟基的减少[11]，羟基的减少又主要是通过炭化实现的，浸注硅溶胶对其影响较小。

2.4 气干湿涨率及抗湿胀系数（ASE）

橡胶木对照及不同工艺处理材的气干湿涨率及ASE如表4所示。由表4可知，热处理材和浸注-热处理材的气干湿涨率均显著低于对照材，并且浸注-热处理材还显著低于热处理材，弦向分别降低了10.27%和9.17%，径向分别降低了15.00%和17.57%。同时，从ASE的数据也可看出，经过浸注预处理的炭化橡胶木其尺寸稳定性获得进一步提高，在2个温度条件下，弦向分别提高了21.75%和11.56%，径向分别提高了20.00%和19.71%。进入木材中的SiO2对细胞壁有填充作用，阻碍了其润胀，并且也部分与细胞壁上的纤维素和半纤维素发生氢键键合，降低了木材与水分的结合[12]，故尺寸稳定性变得更好。

3 讨论与结论

实验室和野外埋地试验结果都说明了炭化对橡胶木的防白蚁性能没有改善，国内外学者在研究其它树种炭化材时，亦得出了一致的结论[13-14]。采用硅溶胶浸注预处理对炭化橡胶木的防白蚁性能有一定的提高，无法彻底地驱避白蚁，这可能与增重率不够高有关。Ghosh等[6]采用水玻璃改性欧洲赤松时，只有当增重率达到28%～35%时，才能有效地抵抗白蚁的蛀蚀，而本实验中硅溶胶浸注预处理的增重率只有16%～20%。此外，Ghosh等[6]还发现采用氨基硅树脂乳液改性的木材，在增重率不到15%时即具备良好的防白蚁性能。因此，可考虑采用有机硅体系浸注预处理来提高炭化木的防白蚁性能，但是有机物会在高温炭化的过程中发生分解则是一个需要注意的问题。

经过硅溶胶浸注预处理后，185 ℃和200 ℃炭化橡胶木的氧指数分别由25.0%和25.3%提高至29.1%和30.4%。同样地，Pries等[7]在对松木边材浸注阳离子硅溶胶后，测试了其阻燃性能，结果显示：相比对照材，增重率为27.6%的硅溶处理材其质量损失率从80%降至20%，燃烧时间从120 s降至49 s；而增重率为11.2%的阻燃剂处理材其质量损失率只有13%，燃烧时间只有18 s。由此表明硅溶胶能在一定程度上改善木材（包括炭化木）的阻燃性能，但仍达不到阻燃剂的效果。此外，相比于硅溶胶单一浸注处理，选用氨基树脂、丙烯酸酯乳液、磷酸盐、硼酸盐等有机、无机配方与硅溶胶复合形成多元体系，其阻燃效果更加显著。因此，后续研究可根据橡胶木的特性选择恰当的组分与硅溶胶复配，达到较优的协效阻燃效果。

硅溶胶浸注预处理不影响炭化橡胶木的EMC，但对密度和尺寸稳定性的提高显著。林兰英[12]在对杨木进行硅溶胶改性时，改性材亦表现出良好的性能特征：在增重率约为35%的情况下，尺寸稳定性提高了25%～35%，且接触角显著增大，表面疏水性能良好。杨木性能提高幅度更大主要是因为其本身材质疏松，密度较低，尺寸稳定性较差。总之，硅溶胶预处理在改善炭化木防白蚁和阻燃性能的同时，对吸湿性无负面影响，对密度及尺寸稳定性有进一步提高。

综上，在本试验研究条件下，采用硅溶胶浸注预处理对白蚁蛀蚀起到了一定的抑制作用，提高了炭化橡胶木的防白蚁性能，对其阻燃性能亦有一定程度的提高，且不影响其吸湿性并显著提高了气干密度及尺寸稳定性。

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