分子筛矿化木的制备及其阻燃性能

杨文丽，张少迪，王明枝

(北京林业大学材料科学与技术学院，木质材料与应用教育部重点实验室，北京 100083)

杨树是一种生长周期较短的人工林树种，其木材广泛应用于家具、建筑和室内装饰等领域，但其固有的易燃性会引发火灾，造成大量人员伤亡和财产损失，因此，必须对木材进行阻燃处理[1]。传统的阻燃处理方法是在木材表面涂覆阻燃材料或者向其内部浸渍阻燃剂。火灾发生时，这些具有阻燃功能的试剂可延长木材的点燃时间或减慢其分解速度，从而减缓火焰的蔓延及传播[2]。近年来，利用矿化法对木材进行阻燃处理成为研究热点，符合当前对材料绿色环保可持续发展的主题要求。

木材矿化是以木材细胞结构作为几何模板，向木材孔隙中引入无机物以赋予木材某种性能的改性方法。有许多学者研究发现硅化物能够赋予矿化木优异的阻燃性能。Yang等[3]利用壳聚糖的静电吸附作用，并结合层层自组装和溶胶-凝胶方法，将带负电荷的硅溶胶成功沉积到木材的细胞壁和细胞腔中，实现了木材的仿生矿化，矿化木的力学性能和阻燃性能都得到显著提升。Fu等[4]通过浸渍将蒙脱土引入脱木素的木质骨架内，制备了具有高阻燃性能的木材/无机复合材料。研究发现蒙脱土可以催化木材生成热稳定性很高的炭层，复合材的热释放量大大降低，烟释放量明显减少。Li等[5]以硅酸钠为主要改性剂，硫酸盐、钙盐和磷酸盐为固化剂，通过呼吸法制备了硅酸钠改性杉木。改性杉木的阻燃抑烟性能显著提升，总热释放量较未改性材降低了66.17%，总烟释放量减少了77.57%。但这些研究采用的制备工艺复杂，不利于工业推广应用。

分子筛是一类由硅氧四面体和铝氧四面体通过氧桥键连接而成的硅铝酸盐晶体，具有均匀的孔结构、较大的比表面积和热稳定性。按照晶体结构，分子筛可主要分为LTA型、FAU型和MFI型等，其中，LTA型分子筛在木质材料阻燃领域有较多的应用。Zhang等[6]利用4A分子筛处理阻燃木质复合材料，研究发现分子筛可有效降低复合材料燃烧时的烟释放量。Wang等[7]利用4A分子筛改性聚磷酸铵处理胶合板，胶合板的热释放峰值降低了78.61%，CO产量减少了55.56%，阻燃性能提升明显。Yuan等[8]研究发现5A分子筛与APP(ammonium polyphosphate)具有协效阻燃作用，复配阻燃剂可以促进连续、稳定炭层的形成，降低阻燃锯末板的热释放速率和烟释放速率。然而，尚未有分子筛用于实木阻燃的研究。

本研究在常温下制备分子筛前驱体，通过真空加压浸渍将分子筛前驱体浸入木材内部，并在一定温度下使其晶化，制备分子筛矿化木。采用扫描电镜、能谱、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱分析了矿化木的形貌和化学组成；并利用热重分析、极限氧指数和锥形量热法研究矿化木的阻燃抑烟性能。

1 材料与方法

1.1 试验材料

木材试样为东北青杨(Populuscathayana)边材，气干密度为0.48 g/cm3，含水率约12%。所选试样均无明显节子、缺陷。质量增加、增容、热重试样尺寸为20 mm(轴向)×20 mm(弦向)×20 mm(径向)；锥形量热试样尺寸为100 mm(轴向)×100 mm(弦向)×10 mm(径向)；极限氧指数试样尺寸为150 mm(轴向)×6 mm(弦向)×3 mm(径向)。

偏铝酸钠(NaAlO2)，分析纯；氢氧化钠(NaOH)，质量分数98%，分析纯；硅溶胶，工业品，其中SiO2质量分数为29%～31%，Na2O质量分数为5%，粒径约为20 nm，质量浓度为1.15～1.17 g/mL。以上化学试剂均购自上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 分子筛前驱体的制备

LTA分子筛前驱体的摩尔比为n(Na2O)∶n(SiO2)∶n(Al2O3)∶n(H2O)=3.6∶4∶1∶144，根据摩尔比计算出所需试剂用量。首先，将42.96 g NaOH加入盛有421.84 g去离子水的800 mL烧杯中，搅拌至全部溶解之后，加入34.44 g NaAlO2并继续搅拌；待NaAlO2完全溶解后，继续搅拌30 min使其充分水解；随后将60 g硅溶胶逐滴缓慢加入上述混合溶液中，在室温下搅拌2 h后，超声分散30 min，得到LTA分子筛前驱体。

1.3 分子筛矿化木的制备

所有木材试样均在80 ℃下干燥40 h至质量恒定(前后两次称质量之差≤0.5%)，通过满细胞法用制备的分子筛前驱体浸渍木材。先将木材试样装入烧杯中，试样轴向与烧杯壁垂直，并留有一定空隙，用重物压住，防止浸渍过程中试样漂浮。然后，在真空浸渍罐放入装好木材试样的烧杯，抽真空至-0.09 MPa并保持30 min，利用浸渍罐中的负压将分子筛前驱体溶液吸入烧杯至试样完全浸没，再向罐中通入氮气并加压至0.5 MPa，保压2 h后卸压，取出浸渍试样。浸渍试样用去离子水冲洗，气干24 h后用锡纸包覆，置于100 ℃烘箱中晶化10 h。将晶化后的试样放入80 ℃烘箱中干燥至质量恒定，即得分子筛矿化木。

1.4 矿化木的质量增加率、增容和载药率测试

质量增加率反映了阻燃剂在木材内部的沉积情况，矿化木的质量增加率(WPG)按照式(1)计算：

WPG=(M1-M0)/M0×100%

(1)

式中，M0和M1分别为测定质量增加率试样浸渍前后的绝干质量，g。

增容体现了阻燃剂处理对木材细胞壁的润胀作用，矿化木的增容(B)按照式(2)计算：

B=(V1-V0)/V1×100%

(2)

式中，V0和V1分别为试样浸渍前后的绝干体积，mm3。

载药率是体现浸渍效果的重要指标，矿化木的载药率(A)按照式(3)计算：

A=[(m1-m0)×n/m0]×100%×k

(3)

式中：m0和m1为测定载药率试样浸渍前后的绝干质量，g；n为阻燃剂溶液质量分数，%；k为修正系数，k=处理阻燃剂溶液质量分数/剩余阻燃剂溶液质量分数。

1.5 性能测试

1.5.1 扫描电镜(SEM)-能谱(EDS)分析

采用扫描电子显微镜(SU8010型，日本日立公司)对木材试样横切面和纵切面的形貌和结构进行观察，并联用能谱色散光谱仪(MC1000型，日本日立公司)对木材试样的元素进行分析。测试前先在103 ℃烘箱中干燥至质量恒定，用不锈钢刀片将试样切成厚1 mm的薄片样品；然后用导电胶带将试样切片固定在载物台上，在真空条件下对试样进行喷金处理。

1.5.2 X射线衍射(XRD)分析

将尺寸为20 mm×20 mm×20 mm的木材试样用粉碎机粉碎，并过孔径0.075 mm(200目)筛。利用X射线衍射仪(Brucker D8 Advance型，德国布鲁克公司)对试样进行测试。测试射线源为Cu Kα，操作电压40 kV，电流40 mA，测定角度为2θ=5°～40°，扫描速度为3(°)/min。

1.5.3 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析

用粉碎机将试样粉碎，过孔径0.15 mm(100目)筛。采用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet IS 10型，德国布鲁克公司)分析试样化学成分。分辨率为4 cm-1，波数范围为400～4 000 cm-1。

1.5.4 极限氧指数(LOI)测试

参照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》标准，采用极限氧指数仪(M606B型，青岛山纺仪器有限公司)测试极限氧指数，基于“少量试样升-降法”，逐步选择氧浓度。每组试样至少15个，以确保最后两次测试得到的氧浓度之差≤0.1%。试样尺寸为150 mm(轴向)×6 mm(弦向)×3 mm(径向)，测试前对试样进行调温调湿处理。

1.5.5 热重(TG)分析

采用热重分析仪(DTG-60型，日本岛津公司)进行热重分析。用粉碎机将试样粉碎并过孔径0.15 mm(100目)筛，取8～10 mg样品在氮气气氛下进行测试。测试温度范围为室温至600 ℃，加热速率为5 ℃/min。

1.5.6 锥形量热测试

参照ISO 5660-1:2015 “Reaction-to-fire tests-Heat release, smoke production and mass loss rate-Part 1: Heat release rate (cone calorimeter method) and smoke production rate (dynamic measurement)”标准，采用锥形量热仪(FTT0007型，英国FTT公司)进行测试。试样尺寸为100 mm(轴向)×100 mm(弦向)×10 mm(径向)，测试前对试样进行调温调湿处理。锥形量热仪辐射功率为50 kW/m2，每组试样重复测试4次，最终得到热释放速率(HRR)、总热释放量(THR)、烟释放速率(SPR)、总烟释放量(TSP)、CO产量(COP)、 CO2产量(CO2P)等燃烧参数。

2 结果与分析

2.1 质量增加率和增容分析

矿化木和未处理材的质量增加率和增容如表1所示。由表1可知：矿化木的质量增加率为10.96%，表明分子筛前驱体在木材孔隙中具有良好的渗透性；矿化木的增容为1.08%，表明分子筛主要位于木材细胞腔中。

2.2 矿化木形貌分析

矿化木和未处理材横切面和纵切面的微观形貌如图1所示。未处理材横切面的细胞结构排列较为完整，细胞腔内无填充物(图1a)；纵切面上可以看到细胞腔表面光滑(图1b)。与未处理材相比，矿化木的细胞结构无明显变化，但其横切面(图1c、e)细胞腔内可观察到大量沉积物，纵切面(图1d)细胞腔表面也附着了沉积物。由矿化木横切面能谱成像(图1g)可观察到大量的C、O、Na、Si、Al等元素，C和O元素归属于木材成分，Na、Si和Al元素来源于细胞腔内生成的分子筛晶体。高倍镜下可观察到沉积物呈三维花状结构，这种花状结构由相互堆叠交叉的纳米片构成(图1f)。木材矿化是以木材组分中的羟基等活性基团作为矿化位，活性基团与无机物前驱体中的离子发生化学反应，引导无机物成核和结晶[9]。LTA分子筛在木材内部的生长可归因于分子筛前驱体中的硅酸根和铝酸根与羟基反应，产生新的官能团，在木材细胞腔表面形成晶核，从而促进分子筛晶体在木材内的生长。

图1 未处理材(a和b)和矿化木(c、d、e和f)的扫描电镜图，以及矿化木的能谱元素图分析(g)Fig. 1 SEM images of untreated wood (a and b) and mineralized wood (c, d, e and f), and EDS elemental mapping analysis of mineralized wood (g)

图2 XRD图谱(a)和傅里叶变换红外图谱(b)Fig. 2 XRD (a) and FT-IR (b) patterns

2.3 矿化木的化学结构分析

2.3.1 矿化木的XRD表征

LTA分子筛、未处理材和矿化木的XRD图谱见图2a。未处理材在2θ=16.5°，22°和34.5°附近出现了衍射峰，分别对应于木材纤维素的(101)、(002)与(040)晶面。与未处理材相比，矿化木纤维素特征衍射峰无明显变化。此外，矿化木的XRD图谱在2θ=7.27°，10.26°，12.56°，16.22°，24.27° 和30.12°处可以观察到属于LTA分子筛的特征衍射峰[10]，这表明矿化木内的沉积物为LTA型分子筛；在2θ=9.36°处观察到杂峰，属于MFI分子筛的一个特征衍射峰，但并未出现其他特征峰[11]，这可能是因为前驱体中部分晶核的硅铝含量比较高，晶化时转化成了MFI分子筛的次级结构，但因为MFI分子筛进一步晶化所需的温度高于LTA分子筛，因此并未检测到MFI分子筛晶体。

2.3.2 矿化木的FT-IR表征

LTA分子筛、未处理材和矿化木的FT-IR图谱见图2b。在未处理材的FT-IR谱图中可以观察到木材主要成分的特征峰，3 436 cm-1处的强宽峰是纤维素中的羟基(—OH)伸缩振动峰，1 242 cm-1处的吸收峰属于半纤维素中的醚键(C—O—C)伸缩振动峰，1 156～1 611 cm-1出现较强的吸收峰属于木质素芳香环的基本特征峰。LTA分子筛的FT-IR谱图中1 004 cm-1处的吸收峰为TO4(T为Si或Al)四面体内部连接非对称伸缩振动，722 cm-1处的吸收峰归属于TO4四面体内部的对称拉伸振动，569 cm-1处的吸收峰是分子筛骨架结构中双四环(D4R)的外部振动，446 cm-1处的吸收峰是分子筛内部TO4四面体的弯曲振动峰[12]。矿化木的FT-IR谱图中可以观察到属于木材中纤维素、半纤维素和木质素的所有特征峰，在1 016，673，562和457 cm-1处出现上述提到的分子筛特征峰。此外，矿化木的FT-IR谱图在1 016～1 023 cm-1处出现属于Si—O—Si和Si—O—C的吸收峰，说明分子筛与木材之间存在化学键结合。

2.4 极限氧指数(LOI)分析

极限氧指数是指材料在氧-氮混合气体中燃烧所需要的最低氧气浓度，用于表征试样的燃烧行为。载药率反映了浸渍处理效果，阻燃木材燃烧的难易程度与木材的载药率有直接关系，理论上载药率越高，阻燃性越好[13]。矿化木的载药率为6.41%时，其LOI为52.9%，较未处理材的26.1%提高了102.7%(表1)。LOI的显著增加是因为分子筛填充在木材细胞腔中，矿化木密度增大。木材密度越大，越难点燃[14]，且分子筛为难燃物质，阻挡了木材和氧气的接触，燃烧过程中需要更高的氧气浓度，其氧指数得到了有效提升。

图3 未处理材和矿化木的TG(a)和DTG(b)曲线Fig. 3 TG (a) and DTG (b) curves of untreated wood and mineralized wood

2.5 TG和DTG分析

通过热重测试分析未处理材和矿化木的热解行为(图3)，分析结果如表2所示。由未处理材的热重曲线可以看出，木材热解主要经历3个阶段。第1阶段为木材干燥阶段，温度为室温至120 ℃。在这一阶段，木材的热解速率较低，质量损失较小。初始的质量损失是由木材内水分蒸发导致的，木材的化学组分几乎没有变化。第2阶段为热解和炭化阶段，温度为120～500 ℃。在这一阶段，随着温度的升高，木材热解速率逐渐加快，在337.61 ℃时热解速率达到最大值(图3b)。该阶段未处理材的质量损失约为70.62%(图3a)，这部分质量损失主要是由木材中半纤维素、纤维素的迅速分解以及木质素的持续热解引起的，木材组分热解释放大部分热解产物，例如左旋葡聚糖、醇类、酯类以及烃类等可燃性气体。在一定的氧气浓度下，达到着火点的可燃性气体被点燃，在木材表面形成气相有焰燃烧，导致木材的热解速率加快，释放出大量烟和热，并开始形成炭层。第3阶段为煅烧阶段，温度为500～800 ℃。在这一阶段木材的热解基本结束，主要依靠外部供热进行炭层的煅烧，剩余的木材组分继续芳香化和结构化。800 ℃时，木材的残余质量分数为22.76%(表2)。矿化木的热解过程也经历了3个阶段。在干燥阶段，矿化木的质量损失与未处理材类似，均为木材内水分蒸发引起的。在热解和炭化阶段，矿化木的热解速率明显低于未处理材，此阶段质量损失为53.41%。由表2可知，与未处理材相比，矿化木的T10%由261.10 ℃降至225.85 ℃，Tmax由337.61 ℃降至273.12 ℃，质量损失率由-8.17%/℃降至-6.27%/℃。矿化木质量损失为10%时的温度及最大热解速率时的温度均降低，这是因为LTA分子筛具有较强的催化作用，能够促进木材的脱水炭化反应，从而改变木材的热解途径。矿化木热降解速率减缓可归因于分子筛作为Lewis固体酸的催化作用，其酸性能够促进纤维素热解中间产物左旋葡聚糖向固相(炭)转化，减少木材热解产生的可燃性物质[15-17]。在煅烧阶段，相对于未处理材，矿化木在800 ℃时的残余质量分数由22.76%显著增加至33.46%，表明分子筛提高了炭层的热稳定性。

表2 热重分析结果Table 2 Thermogravimetric analysis results

2.6 锥形量热分析

2.6.1 热释放特性

未处理材和矿化木的锥形量热测试结果见表3。点燃时间(TTI)是指材料开始暴露于热辐射源到表面发生有焰燃烧所需要的持续点火时间，点燃时间越长，表明材料的阻燃性越好。由表3可知，未处理材在30 s后被迅速点燃，矿化木的点燃时间则为45 s。这是由于难燃分子筛填充了木材细胞腔，阻碍了矿化木中热量和氧气的传递，矿化木的初始热解过程变慢，从而延长了点燃时间。未处理材和矿化木的热释放速率(HRR)及总热释放量(THR)曲线见图4。HRR是材料点燃后单位面积上热量释放的速率，HRR越高，材料热解过程越快，产生的挥发性可燃物越多。THR是材料燃烧所释放热量的总和，THR越大，材料燃烧所释放的热量越多，火焰传播速度越快。从图4a可以看出，未处理材和矿化木的热释放速率曲线均出现2个热释放峰值。未处理材在0～100 s时出现了第1个热释放峰值(HRRpk1)，为170.34 kW/m2，这是由表层木材受热分解生成的可燃性气体燃烧导致的。表层木材燃烧形成保护性炭层，对内部木材起到一定保护作用，导致HRR开始下降。随着燃烧的进行，保护性炭层发生爆裂，内部木材受热进一步剧烈热解产生大量可燃性气体。可燃性气体达到临界燃烧浓度后被瞬间点燃，形成气相有焰燃烧，释放出大量热，HRR迅速升高，在215 s时达到第2个热释放峰值(HRRpk2)，为275.24 kW/m2。矿化木的HRR曲线明显低于未处理材，表明分子筛对热释放有明显抑制作用。由表3可知，矿化木的HRRpk1和HRRpk2分别为81.23和110.46 kW/m2，相比于未处理材分别降低了52.31%和59.87%。此外，矿化木的热释放峰值出现时间分别延迟了40和180 s。HRRpk1的滞后是因为难燃分子筛堵塞了木材受热产生的可燃性气体扩散通道，使其很难到达木材表层，同时氧气也不易进入木材内部，导致可燃性气体很难被点燃。HRRpk2的滞后归因于分子筛促进矿化木热解形成的热稳定性炭层。分子筛在燃烧过程中嵌入炭层，起到了增强炭层的作用[18]。此炭层不仅起到良好的隔热作用，还可以阻隔外部氧气进入和抑制内部可燃性气体逸出，有效阻碍了木材的进一步热解，从而降低了矿化木的热释放速率。由图4b可以看出，矿化木THR曲线的变化趋势与未处理材相似，但更加平缓，且矿化木的THR低于未处理材，由67.35 MJ/m3降低至45.66 MJ/m3，减少32.20%(表3)。有效燃烧热(EHC)是燃烧过程中材料受热分解形成的挥发分中可燃性成分燃烧释放的热量。由表3可知，与未处理材相比，矿化木的平均有效燃烧热(av-EHC)降低了19.75%。这说明分子筛可以抑制可燃性气体的产生，具有明显的气相阻燃效果。

表3 锥形量热测试结果Table 3 Results of cone calorimetry test

图4 未处理材和矿化木的热释放速率(a)和总热释放量(b)曲线Fig. 4 Heal release rate (a) and total heal release (b) curves of untreated wood and mineralized wood

2.6.2 烟释放特性

在真实的火灾中，烟的释放会影响周围环境，降低能见度，影响受困人员逃生时辨别方向，也会给消防扑救带来困难。在木材安全性的相关研究中，烟气释放行为非常重要。未处理材和矿化木的烟释放速率(SPR)和总烟释放量(TSP)曲线见图5，分析结果见表3。由图5a可知，试样的SPR和HRR曲线类似，也表现出2个峰，一个是在木材引燃时形成的，另一个是在木材炭化过程结束后形成的。未处理材的烟气释放发生时间较早(1～300 s)，第1烟释放峰值(SPRpk1)和第2烟释放峰值(SPRpk2)分别为0.012 0和0.021 2 m2/s。随后木材的烟释放速率下降，最终总烟释放量达到2.701 3 m2。与未处理材相比，矿化木的烟释放速率显著下降，SPRpk1为0.005 9 m2/s，SPRpk2为0.009 3 m2/s，分别降低50.83%和56.13%，峰值出现时间延迟。矿化木的LOI较未处理材高，TTI延长，因此SPPpk1出现时间延迟。矿化木生成的炭层热稳定性高，能有效保护下层木材，因此SPPpk2的出现时间延迟，峰值降低。从图5b可以看出，在整个燃烧过程中，矿化木的TSP明显低于未处理材，由2.701 3 m2减少到1.476 2 m2，降低了45.35%，表明矿化木具有优异的抑烟性能。这是因为矿化木燃烧过程中质量损失速率低于未处理材，燃烧的剧烈程度较低，产生的可燃性和不可燃性挥发物减少；矿化木燃烧生成的残炭量增加，且含有分子筛的炭层对烟气具有更好的吸附作用。

图5 未处理材和矿化木的烟释放速率(a)和总烟释放量(b)曲线Fig. 5 Smoke production rate (a) and total smoke production (b) curves of untreated wood and mineralized wood

图6 未处理材和矿化木的CO产量(a)和CO2产量(b)曲线Fig. 6 CO production (a) and CO2 production (b) curves of untreated wood and mineralized wood

2.6.3 CO和CO2释放特性

一氧化碳产量(COP)是材料燃烧时在单位时间内产生CO的质量，多被用于评价试样的不完全燃烧程度和烟气毒性大小；二氧化碳产量(CO2P)是材料燃烧时单位时间内释放CO2的质量，与热量释放过程同步。未处理材和矿化木的CO产量和CO2产量曲线见图6。由图6a可知，矿化木在燃烧前期(1～300 s)，CO产量高于未处理材。这是因为难燃分子筛填充了木材孔道，阻碍了热量和氧气的渗透，木材及其热解组分不完全氧化。在燃烧后期(300～800 s)，未处理材的CO产量增加，并且保持较高的水平。矿化木的COP曲线始终位于未处理材的COP曲线下方，CO产量相对于未处理材降低了53.85%。未处理材燃烧生成的残炭热稳定性差，不能有效保护下层木材的热解，CO释放量较高。矿化木燃烧形成致密且热稳定性高的炭层，减缓了木材的热解过程，CO释放量降低。炭层中的分子筛能够吸附并催化CO氧化为CO2，进而有效降低了烟气毒性[19-21]。从图6b可以看出，试样的CO2释放曲线与热释放曲线相似，说明热释放主要是由生成CO2的反应产生的。矿化木的CO2产量明显低于未处理材，且CO2释放时间延迟，这与矿化木的质量损失速率小有关。

2.7 残炭分析

矿化木和未处理材锥形量热测试后的残炭宏观和微观图见图7。由残炭的宏观图(图7a、e)可知，矿化木的残炭量相比未处理材显著增加。从残炭的微观图片可以观察到，未处理材燃烧产生的残炭表面出现裂缝(图7b)，炭层热稳定性较差，燃烧后未处理材的纤维结构被破坏(图7c)；而矿化木的残炭表面致密且完整(图7d)，炭层热稳定性高，矿化木的纤维结构更加完整且连贯(图7f)。此外，由图7f可以观察到矿化木的纤维结构表面覆盖大量分子筛，这提高了炭层的强度。致密且热稳定性高的炭层，既可以有效减缓热量和氧气向木材内部传递，又能延缓木材内可燃性气体和烟气的释放。

图7 未处理材(a、b和c)和矿化木(d、e和f)的残炭图Fig. 7 Images of carbon residue of untreated wood (a, b and c) and mineralized wood (d, e and f)

2.8 阻燃机理分析

根据对分子筛矿化木燃烧后残炭形貌的分析，提出了矿化木的阻燃机理，如图8所示。在燃烧初期，矿化木中的无机物分子筛起到了物理覆盖作用，减少了热量和氧气进入木材，抑制了木材燃烧时产生的可燃性气体的释放，延长了材料的点燃时间；分子筛具备的Lewis酸性催化了木材中纤维素的脱水反应，促进木材热解产生更多残炭；含有分子筛的残炭稳定性更高，能更好地抑制热量和氧气的传递，减少可燃性气体和烟气的释放。因此，矿化木的阻燃抑烟性能更好。

图8 分子筛矿化木的阻燃机理示意图Fig. 8 Schematic diagram of flame retardant mechanism of mineralized wood

3 结 论

通过真空加压浸渍法将LTA分子筛前驱体浸渍到木材内部，干燥后制得分子筛矿化木；利用极限氧指数、热重分析仪和锥形量热仪考察了分子筛矿化木的阻燃和抑烟性能。

1)矿化木的LOI从26.1%增加到52.9%，表明LTA分子筛矿化木具有较好阻燃性能。

2)热重分析结果表明，LTA分子筛能够催化矿化木的热解向低温脱水碳化方向进行，矿化木的残炭量增加，热稳定性提高。

3)锥形量热结果表明，矿化木的质量损失减缓，总热释放量(THR)和总烟释放量(TSP)极大降低，COP减少。矿化木阻燃性能提升是因为分子筛有利于提高其残炭量，并增强炭层的稳定性。良好的炭层能够形成传质传热物理屏障，矿化木产生可燃性挥发物的热解过程变慢，进而降低了燃烧过程中热和烟的释放量。