热固性树脂和硅溶胶处理木材的燃烧性能研究

摘要

木材改性处理能够提高木材价值，延长木材的使用寿命，从而缓解木材资源紧张的局面。但相关化学改性木材的研究大部分重点考察改性处理对于木材的物理力学强度、尺寸稳定性、耐腐朽、耐老化等性能方面的影响，而忽视了改性药剂的加入对于木材燃烧性能的影响。本文选取苏格兰松木（Pinus sylvestrisL.）和山毛榉木(Fagus sylvaticaL.)两种针、阔叶材作为代表，采用真空加压浸渍的方式，以不同浓度低分子量酚醛树脂(phenol formaldehyde，PF)和三聚氰胺甲醛树脂(melamine formaldehyde，MF)以及两种不同性质硅溶胶(Levasil200E、Levasil200S)处理木材，对改性木材的物理性能和燃烧性能进行了研究。
　　两种热固性树脂PF、MF对于松木和榉木都体现出较好的浸渍效果，其中PF处理后木材的增重率达到54％（松木）和38％（榉木），MF处理试样增重率为47％（松木）和31％（榉木）;Levasil200E、Levasil200S两种硅溶胶处理木材增重率，不同树种差异较大，两种硅溶胶处理松木试样增重率范围约为10％～40％（松木），而榉木试样增重率约为5％～20％（榉木）。与未处理木材相比，PF处理木材吸水率下降86.5％（松木）和54.8％（榉木），最大吸水膨胀率下降8.7％（松木）和12.3％（榉木），PF处理木材的抗胀缩率(ASE)为54.1％（松木）和45.7％（榉木）;MF处理木材吸水率下降71.2％（松木）和48.9％（榉木），最大吸水膨胀率下降4.4％（松木）和7.0％（榉木），MF处理木材的抗胀缩率(ASE)为20.4％（松木）和15.6（榉木）。测试分析表明PF、MF处理均能提高木材的尺寸稳定性，其中PF处理效果更好。Levasil200E硅溶胶处理木材吸水率下降47.0％（松木）和21.6％（榉木），处理试样的ASE值小于0，对木材的尺寸稳定性存在负面影响;Levasil200S处理木材吸水率下降48.1％（松木）和26.5％（榉木），处理试样ASE分别为13.2％（松木）、5.8％（榉木），并且处理试样吸湿率下降1.7％～3.5％，说明Levasil200S硅溶胶处理能够在一定程度上增强木材的尺寸稳定性。
　　通过锥形量热仪和热重分析仪试验可以发现，PF、MF处理均能减缓木材高温热解的速率，能够延长木材的点燃时间、增大火灾性能指数，增加木材燃烧后的成炭率，但是PF处理会增加燃烧过程中的烟释放量和一氧化碳浓度，通过气相质谱色谱联用仪试验可以发现PF处理木材在热解过程中会生成多余的酚类物质，这可能是造成处理木材烟释放量增加的原因。MF处理会增加木材燃烧过程中的热释放速率(Heat Release Rate，HRR)，同时造成热释放总量(Total Heat Release，THR)略有增加，但是MF处理能够有效降低木材的总烟释放量(Total Smoke Product，TSP)和烟释放速率(Smoke ProductRate，SPR)，具有极佳的抑烟效果，同时燃烧过程中一氧化碳浓度也有所降低，相对而言，MF处理木材在使用过程中具有更低的火灾风险性。通过气相质谱色谱联用仪在MF处理木材裂解产物中未能发现过多的含氮有机化合物。
　　Levasil200E、Levasil200S硅溶胶处理都能够降低木材燃烧过程中的HRR、THR、SPR、TSP以及CO、CO2浓度，其中Levasil200S硅溶胶处理在这些方面的降低程度更明显。Levasil200E硅溶胶处理未能对木材高温热解的速率与裂解产物产生实质影响，而Levasil200S硅溶胶处理在一定程度上降低木材热解速率并且对木材裂解产物产生影响，说明Levasil200S与Levasil200E赋予木材难燃性的原因不同，可能是200S硅溶胶中含有的AlCl3引起的效果。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 木材改性概述

1．2．1 木材物理改性

1．2．2 木材化学改性

1．3 本文研究意义

2 材料与方法

2．1 前言

2．2 实验材料

2．2．1 木材试件

2．2．2 改性药剂

2．3 实验设备

2．4 木材改性

2．4．1 药液配置

2．4．2 浸渍前处理

2．4．3 浸渍处理

2．4．4 干燥固定

2．5 测试分析

2．5．1 增重率

2．5．2 尺寸稳定性

2．5．3 锥形量热仪

2．5．4 热重分析仪

2．5．5 环境扫描电子显微镜观察

2．5．6 气相质谱色谱联用仪

3 低分子酚醛树脂改性木材的燃烧性能

3．1 前言

3．2 结果与分析

3．2．1 增重率

3．2．2 尺寸稳定性

3．2．3 锥形量热仪

3．2．4 热重(TG)分析

3．2．5 扫描电子显微镜(SEM)观察

3．2．6 气相质谱色谱联用仪(GC-MS)分析

3．3 本章小结

4 三聚氰胺甲醛树脂改性木材的燃烧性能

4．1 前言

4．2 结果与分析

4．2．1 增重率

4．2．2 尺寸稳定性

4．2．3 锥形量热仪

4．2．4 热重(TG)分析

4．2．5 扫描电子显微镜(SEM)观察

4．2．6 气相质谱色谱联用仪(GC-MS)分析

4．3 本章小结

5 硅溶胶改性木材的燃烧性能

5．1 前言

5．2 材料与方法

5．3 结果与分析

5．3．1 增重率

5．3．2 尺寸稳定性

5．3．3 锥形量热仪

5．3．4 热重(TG)分析

5．3．5 扫描电镜(SEM)观察

5．3．6 气相质谱色谱联用仪(GC-MS)分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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