硅溶膠預處理對炭化橡膠木防白蟻及阻燃性能的影響

李民　李曉文　蔣匯川　陸全濟　李冠君　李家寧

摘 要 通過硅溶膠浸注預處理獲得橡膠木浸注材，再將橡膠木和浸注材分別于185 ℃和200 ℃下熱改性處理，研究了硅溶膠預處理對炭化橡膠木防白蟻及阻燃性能的影響。結果表明：蟻蛀等級分別從4提升至3.8和4提升至3.75；埋地1 a后完好指數分別從1.3提升至5.9和2.5提升至5.4；氧指數分別提高16.40%和20.16%；EMC無顯著變化；氣干密度分別提高18.58%和22.03%；弦向氣干濕脹率分別降低了10.27%和9.17%，徑向氣干濕脹率分別降低了15.00%和17.57%；弦向ASE分別提高了21.75%和11.56%，徑向ASE分別提高了20.00%和19.71%。

關鍵詞 硅溶膠；預處理；熱處理；橡膠木；防白蟻性能；阻燃性能

中圖分類號 S794.1 文獻標識碼 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

橡膠木是種植橡膠（Hevea brasiliensis）的副產資源，每年膠園更新出產原木約200萬m3，是熱帶地區重要的人工林商品材。采用熱處理（俗稱炭化）技術對橡膠木進行改性，能降低其平衡含水率，提高其尺寸穩定性和耐腐性能，并賦予其類似熱帶硬木的深褐色外觀，具有較好的工業化生產前景。然而，橡膠木炭化后防白蟻性能沒有改善[1]，影響了其在室內家居裝飾和戶外園林景觀中的應用，尤其是中國長江以南的區域Ⅳ——既有散白蟻又有家白蟻的嚴重危害區[2]。此外，炭化無法改善橡膠木的阻燃性能，也在一定程度上限制了其使用范圍。

硅系化合物含有Si-O-Si鍵，呈網絡結構，具有高熔點、強硬度、韌性好等的優點，在木材改性及木材無機質復合材料的制備中有著廣泛的應用。溶膠-凝膠法是制備SiO2/木材復合材料的典型方法，細胞壁內形成的凝膠量越多時，表現出的尺寸穩定性和阻燃效果就越好[3]。為了提高凝膠量和增重率（WPG），在溶膠-凝膠過程中進行超聲波處理，WPG可提高15%～30%，且制備的二氧化硅-木材納米復合材料能有效地阻止白蟻的入侵[4-5]。浸注改性也是常見的木材改性方法，選用不同的硅系化合物浸注木材，改善的性能指標和效果各不相同。采用季銨硅樹脂微乳液和氨基硅樹脂乳液浸注時，WPG不足15%即具備防白蟻性能；采用烷基改性硅樹脂乳液和水玻璃浸注時，只有在高WPG情況下才能有效避免白蟻的攻擊[6]。而選擇陽離子硅溶膠浸注木材，其阻燃效力則隨著WPG的提高而升高[7]。此外，通過硅系與其他化合物復合形成二元或三元體系，浸注后同樣具備良好的改性效果。例如K2CO3與硅溶膠對木材進行二次加壓浸注處理，得到的復合材點燃時間較未處理材延長1倍左右，熱釋放速率及總量下降30%左右，抑煙性能非常顯著[8]。再如用脲醛樹脂/丙烯酸酯乳液/硅溶膠三元復合浸漬液改性木材，使復合材的熱穩定性明顯提高，氧指數也有所提高[9]。由此可見，采用硅系化合物改性能提高木材的防白蟻及阻燃性能，但將其浸注預處理改善炭化木性能的研究則鮮見報道。

因此，本研究選取粘度較低、滲透性較好的硅溶膠作為浸注改性液，采用先浸注預處理再炭化的工藝，探索其對炭化橡膠木防白蟻及阻燃性能的影響，為改善炭化橡膠木的性能，拓展其應用領域，提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試材：橡膠木，樹齡35 a，品系為PR107，產自海南省儋州市八一農場，取距地面1.3 m以上長度為2 m的原木一段，鋸解成徑向板，干燥至含水率12%，選其中無黑線、無節疤的板四面刨光備用。

浸注改性液：堿性硅溶膠（工業級），固體含量為30%，粘度為12 s（涂-4杯，25 ℃），pH值為9.2。

1.2 方法

1.2.1 浸注預處理 采用真空加壓法，工藝參數由前期浸注試驗結果確定，即先抽真空至-0.08 MPa，保持20 min后恢復常壓，平衡5 min后，再加壓至1.4 MPa，保持40 min后卸壓。經浸注預處理后，試件的增重率為16%～20%。

1.2.2 熱處理 前期研究中筆者獲得了不同溫度下橡膠木熱處理材多項性能指標，據此選取185 ℃和200 ℃ 2個有代表性的溫度，熱處理時間均為3 h，采用過熱蒸汽作為傳熱介質和保護氣體。

1.2.3 性能檢測 按照GB/T 18260-2000《木材防腐劑對白蟻毒效實驗室試驗方法》測定蟻蛀等級；按照GB/T 13942.2-2009《木材耐久性能 第2部分：天然耐久性野外試驗方法》測定蟻蛀完好指數；按照GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指數法測定燃燒行為第2部分：室溫試驗》測定氧指數；按照GB/T 1933-2009《木材密度測定方法》測定氣干密3度；按照GB 1931-2009《木材含水率測定方法》測定平衡含水率；按照GB 1934.2-2009《木材濕脹性測定方法》測定徑向及弦向氣干濕脹率；抗濕脹系數（ASE）計算公式為：ASE=（S0-S1）/S0×100%，式中S0為對照材的線性氣干濕脹率，S1為改性材的線性氣干濕脹率。

蟻蛀等級測定的試件規格為50 mm×25 mm×15 mm，每個工藝處理5個試件；蟻蛀完好指數測定的試件規格為300 mm×20 mm×20 mm，每個工藝處理10個試件；氧指數測定的試件規格為100 mm×10 mm×10 mm，每個工藝處理15個試件；氣干密度、平衡含水率及氣干濕脹率測定的試件規格為20 mm×20 mm×20 mm（標準徑弦向），每個工藝處理10個試件。

1.2.4 數據分析 采用軟件Microsoft Office Excel對數據進行處理，采用軟件SPSS對數據進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 防白蟻性能

橡膠木對照及不同工藝處理材的實驗室白蟻試驗結果如表1所示。由表1可知，各組試件的平均白蟻存活率均超過50%，說明供試木材對白蟻的毒性很低，同時說明本測試結果有效；此外，各組試件的平均失重率均超過12%，平均蟻蛀等級均超過3，說明供試木材無法抵抗白蟻的危害。但是，浸注-熱處理材的失重率均低于熱處理材，分別低了17.31%和9.93%，且蟻蛀等級也略低，說明硅溶膠對防白蟻有一定的毒害作用，可毒性較低，仍無法抵抗白蟻的蛀蝕。

橡膠木對照及不同工藝處理材的野外埋地白蟻試驗結果如表2所示。由表2可知，2個溫度熱處理材的完好指數在6個月時均低于對照材；而12個月時，對照及185 ℃熱處理材均已低于1.6，200 ℃熱處理材則也接近1.6。這與前期研究結果類似[1]，再次表明炭化無法改善橡膠木的防白蟻性能。同時，埋地6個月及12個月的結果還顯示：浸注-熱處理材的完好指數均明顯高于熱處理材，表明硅溶膠浸注預處理能在一定程度上抑制白蟻蛀蝕，對炭化橡膠木的防白蟻性能有明顯的提高。造成該結果的原因可能為：硅溶膠干燥固化產生的SiO2包覆了木材細胞壁，在一定程度上阻礙了白蟻對木材基質的識別。

2.2 氧指數

橡膠木對照及不同工藝處理材的氧指數如圖1所示。由圖1可知，2個溫度熱處理材的氧指數均略低于對照材，表明熱處理材更易燃燒。主要原因可能是木材在炭化過程中主要成分發生了不同程度的熱降解，導致熱穩定性降低進而變得更易燃燒。此外，浸注-熱處理材的氧指數均高于熱處理材，分別高了16.40%和20.16%，表明硅溶膠浸注預處理對炭化橡膠木的阻燃性能有一定的提高。對于此現象，原因可能是復合木材的細胞腔及細胞間隙中含有大量的SiO2，耐高溫的SiO2可有效地延緩熱量傳遞，隔絕木材與氧氣的接觸，阻止了可燃氣體的產生和逸出，從而提高了木材的熱穩定性[10]。

2.3 氣干密度及平衡含水率（EMC）

橡膠木對照及不同工藝處理材的氣干密度及EMC如表3所示。由表3可知，熱處理材的氣干密度均顯著低于對照材，而浸注-熱處理材則顯著高于熱處理材，分別提高了18.58%和22.03%。硅溶膠干燥固化后形成SiO2沉積在木材內部，且在熱處理過程中不會降解損失，因而顯著提升了熱處理材的密度。同時，熱處理材和浸注-熱處理材的EMC均顯著低于對照材，而二者之間并無顯著差異。其原因可能為：EMC的降低主要是吸濕基團——羥基的減少[11]，羥基的減少又主要是通過炭化實現的，浸注硅溶膠對其影響較小。

2.4 氣干濕漲率及抗濕脹系數（ASE）

橡膠木對照及不同工藝處理材的氣干濕漲率及ASE如表4所示。由表4可知，熱處理材和浸注-熱處理材的氣干濕漲率均顯著低于對照材，并且浸注-熱處理材還顯著低于熱處理材，弦向分別降低了10.27%和9.17%，徑向分別降低了15.00%和17.57%。同時，從ASE的數據也可看出，經過浸注預處理的炭化橡膠木其尺寸穩定性獲得進一步提高，在2個溫度條件下，弦向分別提高了21.75%和11.56%，徑向分別提高了20.00%和19.71%。進入木材中的SiO2對細胞壁有填充作用，阻礙了其潤脹，并且也部分與細胞壁上的纖維素和半纖維素發生氫鍵鍵合，降低了木材與水分的結合[12]，故尺寸穩定性變得更好。

3 討論與結論

實驗室和野外埋地試驗結果都說明了炭化對橡膠木的防白蟻性能沒有改善，國內外學者在研究其它樹種炭化材時，亦得出了一致的結論[13-14]。采用硅溶膠浸注預處理對炭化橡膠木的防白蟻性能有一定的提高，無法徹底地驅避白蟻，這可能與增重率不夠高有關。Ghosh等[6]采用水玻璃改性歐洲赤松時，只有當增重率達到28%～35%時，才能有效地抵抗白蟻的蛀蝕，而本實驗中硅溶膠浸注預處理的增重率只有16%～20%。此外，Ghosh等[6]還發現采用氨基硅樹脂乳液改性的木材，在增重率不到15%時即具備良好的防白蟻性能。因此，可考慮采用有機硅體系浸注預處理來提高炭化木的防白蟻性能，但是有機物會在高溫炭化的過程中發生分解則是一個需要注意的問題。

經過硅溶膠浸注預處理后，185 ℃和200 ℃炭化橡膠木的氧指數分別由25.0%和25.3%提高至29.1%和30.4%。同樣地，Pries等[7]在對松木邊材浸注陽離子硅溶膠后，測試了其阻燃性能，結果顯示：相比對照材，增重率為27.6%的硅溶處理材其質量損失率從80%降至20%，燃燒時間從120 s降至49 s；而增重率為11.2%的阻燃劑處理材其質量損失率只有13%，燃燒時間只有18 s。由此表明硅溶膠能在一定程度上改善木材（包括炭化木）的阻燃性能，但仍達不到阻燃劑的效果。此外，相比于硅溶膠單一浸注處理，選用氨基樹脂、丙烯酸酯乳液、磷酸鹽、硼酸鹽等有機、無機配方與硅溶膠復合形成多元體系，其阻燃效果更加顯著。因此，后續研究可根據橡膠木的特性選擇恰當的組分與硅溶膠復配，達到較優的協效阻燃效果。

硅溶膠浸注預處理不影響炭化橡膠木的EMC，但對密度和尺寸穩定性的提高顯著。林蘭英[12]在對楊木進行硅溶膠改性時，改性材亦表現出良好的性能特征：在增重率約為35%的情況下，尺寸穩定性提高了25%～35%，且接觸角顯著增大，表面疏水性能良好。楊木性能提高幅度更大主要是因為其本身材質疏松，密度較低，尺寸穩定性較差?？傊?，硅溶膠預處理在改善炭化木防白蟻和阻燃性能的同時，對吸濕性無負面影響，對密度及尺寸穩定性有進一步提高。

綜上，在本試驗研究條件下，采用硅溶膠浸注預處理對白蟻蛀蝕起到了一定的抑制作用，提高了炭化橡膠木的防白蟻性能，對其阻燃性能亦有一定程度的提高，且不影響其吸濕性并顯著提高了氣干密度及尺寸穩定性。

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