硅溶胶改性杨木复合材料制备与性能研究

孙 珂，徐子涵，张 贺，胡洪亮

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

1 引言

杨木作为木质材料之一，用途十分广泛。在建筑领域上杨木一般都被加工成胶合板和纤维板[1]，同时杨木也是造纸、火柴及包装等行业的重要材料。但是类比于像混凝土、水泥等建筑材料，杨木本身作为木材，具有易燃烧的特点。现如今市场上的木材阻燃材料层出不穷，但大部分阻燃材料虽然可以在一定程度上阻止木材燃烧，但这些材料在受热时会产生一种有毒物质，伴随着火灾时的烟一同被吸入体内，对人体造成伤害[2]。硅溶胶具有黏度低、粒径小的特点，能够有效渗入木材孔隙结构中，经过凝胶、干燥后得到稳定的空间结构和较高的硬度；且硅溶胶安全环保，无游离甲醛，具有较好的热稳定性和生物相容性，是一种很有前景的木材改性剂[3]。同时已有研究表明，相同阻燃剂对不同材料的适应性存在显著差异。因此，本文有针对性地提出采用硅溶胶体系对杨木进行浸渍改性。探讨了不同浓度的硅溶胶浸渍体系对木材力学性能及阻燃性能的影响，并对其形成机理进行分析。

2 实验部分

2.1 试验材料与仪器

杨木，长春荣星木材厂；硅溶胶，科力特无机硅有限责任公司；WAW-600KN型微机控制电液伺服万能试验机，长春新科试验仪器有限公司；WGL-65电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；WD-9415B型超声波清洗器，北京市六一仪器厂；电子天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司等。

2.2 实验过程

将硅溶胶和蒸馏水按一定比例分别配制成硅溶胶浓度为10%、20%、30%、40%、50%的浸渍液待用。将实验所用杨木根据木材实验标准，通过木材加工厂经切割、刨光等工艺后，获得尺寸为10 mm×10 mm×100 mm,30 mm×20 mm×200 mm,20 mm×20 mm×300 mm的试样各5组，分别用于测试氧指数、抗压强度、抗弯强度指标。首先将其放入103 ℃烘箱内进行绝干处理，烘干4h后开始每隔1 h称量试块质量，直至烘干8h后试块质量几乎不再发生变化，即可视为试块已经达到了绝干状态[4]，记录其绝干质量W1。然后将其分别放入预制好的浓度为0%、10%、20%、30%、40%、50%的硅溶胶浸渍液内进行常压浸渍处理，48h后完成浸渍。将浸渍后的木材试块再次烘干8h，记录其绝干质量W2。对处理后的试样分别进行抗压强度、抗弯强度、氧指数试验。

3 结果与讨论

3.1 水浸渍对杨木的影响

在制备硅溶胶改性木材复合材料的空白对照组实验中，水浸渍后的木材试样出现了质量损失，其质量比浸渍前降低了1.91%～3.09%；通过分析认为是木材中及少量多糖及原木中的K、Na碳酸盐等无机物的溶出所造成。同时，我们测试了浸渍后杨木试块的抗压强度和抗弯强度，并和未经水浸渍的原木进行比较，如图1所示。从图中数据可知，同未浸渍的原木相比，空白对照组的抗压强度值下降了6.8%，抗弯强度值下降了5.9%，试验表明水浸渍后样品多糖等物质的溶出使木材纤维结构的致密性受到破坏所以导致木材的力学性能下降。

3.2 力学性能

通过试验测得的抗压强度、抗弯强度试验结果如图2所示，通过折线图我们可以发现，经10%、20%浓度浸渍液浸渍的木材试样的力学性能低于蒸馏水浸渍的空白试样，但呈现出稳定增长的趋势；经30%浓度浸渍液浸渍的木材试样的力学性能高于原木；经40%、50%、60%、70%浓度浸渍液浸渍的木材试样与原木的力学性能接近。研究表明，当使用低浓度硅溶胶浸渍液浸渍木材时，浸渍液中的水会使木材中的一些无机成分和少量多糖溶出，从而导致了木材内部纤维结构形成了缺陷；当硅溶胶浓度较低时其溶液渗透压较小，只有少量硅溶胶分子团的的渗入，然而由于硅溶胶分子团渗入较少，无法实现对纤维缺陷的补偿，从而使得木材的抗压、抗弯强度大幅下降。而随着硅溶胶浸渍液浓度的增长，溶液渗透压提升，硅溶胶填充纤维缺陷的能力增强，有效地改善了材料在受力过程中的应力集中问题，这时硅溶胶分子团对整个木材结构的抗压、抗弯性能产生了一个增强作用。从而使得木材的抗压、抗弯性能提升。当硅溶胶浸渍液浓度继续增大，硅溶胶的含量越来越多，导致浸渍液的流动性变小，硅溶胶胶体粒子形成了大分子团，使得硅溶胶难以渗透到木材纤维缺陷部位；所以对木材的抗压、抗弯强度影响较弱。

图1 (a)蒸馏水浸渍前后后木材抗弯性能的变化(b)蒸馏水浸渍前后后木材抗压性能的变化

图2 (a)抗压强度试验结果分析(b)抗弯强度试验结果分析

3.3 阻燃性能

硅溶胶木材试样的氧指数实验结果如图3所示。硅溶胶改性杨木阻燃复合材料的氧指数呈现先上升后下降的趋势，当硅溶胶含量为30%、40%时材料阻燃性能最佳，氧指数为33%。主要是由于随着浸渍液浓度的增大，进入木材内部的硅溶胶增多，对木材的阻燃性能增强，但当其浓度超过40%时，由于硅溶胶浸渍液的胶体粒径由小分子团分散变为大分子团分散结构，造成硅溶胶的分散、渗透能力下降硅溶胶无法进入木材内部，所以使得木材试块整体氧指数呈现出下降趋势。因此研究认为，当硅溶胶浓度为30%和40%时，试样的阻燃性能最优。

4 结语

本研究在常压浸渍的条件下用硅溶胶对木材进行了改性处理。硅溶胶浸渍处理后木材试样的阻燃效果明显增加，不同浓度的浸渍液会对木材试样的抗压强度、抗弯强度产生不同程度的影响，其中30%的硅溶胶浸渍液对木材的各项性能提升最为明显，可使木材的抗压强度提升8.5%，抗弯强度提升25%，氧指数提升22%。

图3 氧指数试验结果分析