CN110524657A - 一种植酸阻燃木材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阻燃材料技术领域，具体涉及一种植酸阻燃木材及其制备方法，其主要改进之处为：对木材进行抽真空处理后，在高压条件下用植酸溶液对木材进行浸渍处理。本发明中的阻燃剂植酸来源于天然植物组织，是一种环境友好且易得的有机酸。利用植酸处理木材试样，可以减少木材燃烧过程中的热释放，同时可催化木材形成炭层，起到隔绝热量，减少可燃性气体溢出，使木材热解朝着不完全燃烧的方向进行等作用。而且本发明技术工艺简单，操作方便，符合环保要求，同时阻燃效果明显，具有广泛的应用前景。

Description

一种植酸阻燃木材及其制备方法

技术领域

本发明属于阻燃材料技术领域，具体涉及一种植酸阻燃木材及其制备方法。

背景技术

木材以其天然的纹理和美感、无毒无害及可再生等独有的特点深受人们的重视和喜爱，被广泛用于建筑物内部。但由于木材的可燃性，在许多应用领域中受到局限。为了获得环境友好、安全的生活环境，需用阻燃剂对木材进行处理。

基于绿色环保的考虑，近年来以生物质原料作为阻燃剂的研究受到了广泛关注。植酸(又称为肌醇六磷酸、环己六醇磷酸酯)是一种环境友好、无毒、且易得的有机酸，在多种植物组织中作为磷的主要储存形式，分子重量中含28％的磷元素，被认为是“绿色”分子。植酸呈淡黄色至淡褐色浆状液体，易溶于水、乙醇和丙酮，几乎不溶于乙醚、苯和氯仿。从阻燃的角度来看，分子中磷含量越高，分子的阻燃性能越好，因此植酸是一种极具潜力的生物质阻燃材料。

发明内容

针对现有技术的木材阻燃性差的问题，本发明提供一种植酸阻燃木材的制备方法，包括如下步骤：对木材进行抽真空处理后，在高压条件下用植酸溶液对该木材进行浸渍处理。

利用植酸处理木材试样，在木材的热分解过程中植酸受热分解，产生的酸可催化木材形成致密连续的保护性炭层，起到隔绝木材内外部热量，减少热解初期可燃性气体溢出，使木材热解朝着不完全燃烧的方向进行等作用。

优选的，在高压条件下用植酸溶液和金属盐溶液对木材进行浸渍处理。研究发现，仅用植酸对木材进行处理，依然存在烟雾释放量大，成炭效果较差的问题。在阻燃剂植酸中加入金属化合物有助于改善材料燃烧过程中所产生炭层的热稳定性。可有效地改善植酸单独使用过程中存在的问题。金属盐与磷元素的协效阻燃机理可能是在热分解情况下，盐具有较高的挥发性，凝结成气相后更好地阻滞火焰传播；同时金属和磷的组合在燃烧过程中产生较稳定的金属/磷结晶化合物，也可起到阻滞火焰的效果。

进一步优选的，所述金属盐为锌盐，优选为醋酸锌。本发明发现植酸与醋酸锌在阻燃效果、操作等方面综合利用价值最佳。

优选的，先用所述植酸溶液对木材进行浸渍处理，再用所述金属盐溶液对木材进行浸渍处理。醋酸锌为粉末状，若先用醋酸锌对木材进行浸渍处理，干燥完成后粉末状的物料容易堵塞木材的细胞孔隙，不利于后续植酸的浸渍和进入，先用醋酸锌处理则可避免上述问题的发生。

优选的，用所述植酸溶液和所述金属盐溶液分别对木材浸渍完成后，分别对木材进行干燥处理；

优选的，所述锌盐溶液对木材浸渍完成后，将木材在65～75℃的条件下进行热风干燥。此温度下对木材进行干燥，有利于植酸和锌盐在木材内部形成络合物。

进一步优选的，醋酸锌对木材浸渍完成后，将木材在68～72℃的条件下进行热风干燥。

优选的，所述植酸溶液浸渍完成后干燥的具体操作为，先气干46～50h，然后在60℃～80℃的条件下热风干燥35～45h，最后在90℃～110℃条件下热风干燥20h～30h，冷却，即得待处理木材试件。

进一步优选的，先气干46～50h，然后在60℃-80℃的条件下干燥40h，再在105℃条件下干燥20h-30h。

优选的，所述植酸溶液中植酸的质量分数为5～20％，更优选13～17％；

优选的，所述醋酸锌溶液中醋酸锌的质量分数为10～30％，优23～27％。

作为优选的方案，所述植酸溶液中植酸的质量分数为13～17％；所述醋酸锌溶液中醋酸锌的质量分数为23～27％。在上述浓度范围内，上述两种物质的协同作用更好。

作为最优的方案，所述植酸溶液中植酸的质量分数为15％；所述醋酸锌溶液中醋酸锌的质量分数为25％。在上述浓度范围内，上述两种物质的协同作用最佳。

优选的，所述抽真空处理的过程中真空度大于等于0.07Mpa；

进一步优选的，真空度为0.09～0.1Mpa，抽真空的时间为20～40min。在上述的真空条件下，可将木材表面组织细胞中的空气尽可能多的抽出，为提高浸渍效率作准备。

所述高压条件为压力大于等于0.5Mpa，在上述条件下处理，可促进阻燃剂进入木材细胞。

进一步优先的，加压处理1～2h。

作为优选的方案，包括如下步骤：

将木材在真空度大于等于0.09Mpa的条件下抽真空处理20～40min，然后在压力大于等于0.5MPa的条件下用质量分数为13～17％的植酸溶液对木材进行浸渍处理，对木材进行干燥；在压力大于等于0.5MPa的条件下用质量分数为23～27％的醋酸锌溶液对木材进行浸渍处理，将木材置于温度65～75℃的条件下进行热风干燥。

上述优选的方案尤其适用于实木类(如：杨树)木材。

本发明所述气干是指在空气中晾干。

本发明所述植酸溶液是指植酸的水溶液，本发明所述醋酸锌溶液是指醋酸锌的水溶液。

本发明的另一目的是保护本发明所述方法制备得到的阻燃木材。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明公开了一种植酸阻燃木材的制备方法，其中阻燃剂植酸来源于天然植物组织，广泛易得，无毒，且分子中含有28％的磷元素，可作为环境友好型磷系阻燃剂。制备出的阻燃木材阻燃性能优异，且制备方法工艺简单，操作方便。

2)利用植酸处理木材试样，在木材的热分解过程中植酸可以受热分解，产生的酸可催化木材脱水成炭，形成致密连续的保护性炭层，起到隔绝木材内外部热量，减少热解初期可燃性气体溢出，使木材热解朝着不完全燃烧的方向进行等作用。

所得产品的阻热效率比无处理组产品提高了82-86％，残炭量提高了32％-122％。

3)利用植酸与醋酸锌两步浸渍法处理木材试样，金属盐与磷元素的协效阻燃机理可能是在热分解情况下，盐具有较高的挥发性，凝结成气相后更好地阻滞火焰传播；同时金属和磷的组合在燃烧过程中产生较稳定的金属/磷结晶化合物，也可起到阻滞火焰的效果。所得产品的抑烟效率比单一的植酸处理产品提高了66.12％，残炭量提高了222.33％。

附图说明

图1表示本发明的对比例1、实施例1-4中不同植酸浓度、实施例5植酸与醋酸锌复配条件下的锥形量热测试的热释放速率(HRR)图；

图2表示本发明的对比例1、实施例1-4中不同植酸浓度、实施例5植酸与醋酸锌复配条件下的锥形量热测试的总热释放量(THR)图；

图3表示本发明的对比例1、实施例1-4中不同植酸浓度、实施例5植酸与醋酸锌复配条件下的锥形量热测试的总烟雾释放量(TSP)图；

图4表示本发明的对比例1、实施例3、实施例5锥形量热测试的总烟雾释放量(TSP)图；

图5表示本发明的对比例1及实施例1-4中不同植酸浓度、实施例5植酸与醋酸锌复配条件下的失重和剩余量(TG)图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。

以下实施例中使用的植酸购买自北京蓝弋公司，商品编号为：P108521。醋酸锌购买自北京蓝弋公司，商品编号为：Z820726。

实施例中所使用的木材为东北青杨。

实施例1～4

本实施例涉及一种植酸阻燃木材的制备方法，包括如下步骤：

在真空度0.09Mpa的条件下对木材抽真空处理30min，在压力0.5MPa的条件下用植酸溶液对木材进行加压处理1.5h，然后对木材进行烘干，烘干的具体操作为，先气干48h，然后在60℃的条件下热风干燥40h，最后在100℃条件下热风干燥24h，得植酸阻燃木材。

植酸水溶液的浓度如下：

表1

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					植酸质量分数	5％	10％	15％	20％

实施例5

与实施例1相比，本实施例采用植酸和醋酸锌联合的方式对木材进行处理，区别在于，将实施例1制备得到的木材在压力0.5MPa的条件下用质量分数为25％的醋酸锌溶液进行浸渍处理，然后将木材置于温度70℃的条件下进行热风干燥，得阻燃木材。

对比例1

不进行任何处理的原始木材。

实验例

将实施例1-4制备的植酸阻燃木材、实施例5制备的植酸锌阻燃木材、对比例1的无处理木材进行性能测试。

1、植酸阻燃木材的燃烧性能

参照ISO5660-1标准，将植酸阻燃木材裁切成一定尺寸的试件，用锥形量热仪测试热释放性能。从热释放速率峰值(PeakHRR1，PeakHRR2)，火灾增长指数(FGI)以及总热释放量(THR)等方面检测实施例的阻燃性能。结果如表2所示。

表2植酸阻燃木材的热释放结果

植酸阻燃木材的燃烧热量出现两个释放速率峰值，分别代表表层木材的燃烧和表层木材破裂之后内部木材的燃烧。如图1所示，不同植酸浓度条件下木材的HRR不同，随着植酸浓度的增加，PeakHRR1和PeakHRR2值均逐渐减小，出现时间逐渐推后。如图2所示，不同植酸浓度条件下木材的THR不同，随着植酸浓度的增加，THR值均逐渐减小。如表1所示，与对比例1相比，实施例3的两个热释放速率峰值分别降低了82.54％和81.18％、火灾传播指数降低了83.6％，说明实施例3的阻燃性能在浓度上更具有优势，因此在15％植酸浓度下继续复配。

2、烟雾释放量测试

参照ISO5660-1标准，将植酸阻燃木材裁切成一定尺寸的试件，用锥形量热仪测试烟释放性能。从总烟雾释放量(TSP)方面评价，结果如表3所示。

表3阻燃处理木材的残碳量

结果表明，实施例3的阻热性能优良，但会增加总烟雾释放量。实施例5的TSP比实施例3的降低了66.12％。如图3、图4可更直观地看出，金属锌盐的加入可以在植酸基础上抑制烟雾释放，从而在火灾中起到减毒的作用。

3、热重测试

参照GB/T27761—2011标准，将植酸阻燃木材用粉碎机制成粉末，将试件过0.25mm筛的粉末用于失重和剩余量实验，从残重率(Mass)等方面评价，结果如表4所示。

表4阻燃处理木材的残碳量

如图5所示，不同植酸浓度条件下木材的Mass不同，随着植酸浓度的增加，Mass值均逐渐增大。如表3所示，实施例1的Mass较对比例1增加了32.07％，实施例3的Mass较对比例1增加了121.55％，说明植酸可有效促进木材在热解过程中的成炭。实施例5的Mass较对比例1增加了614.13％，较实施例3增加了222.33％，说明醋酸锌可以在植酸基础上更进一步促进木材的成炭，从而隔绝木材内外部热量交换，隔绝氧气的进入和可燃性气体的逸出，减少了火灾的危险系数。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种植酸阻燃木材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：对木材进行抽真空处理后，在高压条件下用植酸溶液对该木材进行浸渍处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在高压条件下用植酸溶液和金属盐的溶液对所述木材进行浸渍处理，优选的，所述金属盐为锌盐，更优选为醋酸锌。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，先用所述植酸溶液对所述木材进行浸渍处理，再用所述金属盐的溶液对所述木材进行浸渍处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，用所述植酸溶液和所述金属盐的溶液分别对所述木材浸渍完成后，分别对所述木材进行干燥处理；优选的，所述锌盐的溶液浸渍完成后，干燥的具体操作为将所述木材在65～75℃的条件下进行热风干燥。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述植酸溶液浸渍完成后的对所述木材进行干燥的具体操作为：先气干46～50h，然后在60℃～80℃的条件下热风干燥35～45h，最后在90℃～110℃条件下热风干燥20h～30h。

6.根据权利要求2～5任一项所述的方法，其特征在于，所述植酸溶液中植酸的质量分数为5～20％，优选13～17％；和/或，所述醋酸锌溶液中醋酸锌的质量分数为15～30％，优选23～27％。

7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述抽真空处理的过程中真空度大于等于0.07Mpa；优选的，真空度为0.09～0.1Mpa，抽真空的时间为20～40min。

8.根据权利要求1～7任一项所述的方法，其特征在于，所述高压条件为压力大于等于0.5Mpa，优选的，加压处理1～2h。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将木材在真空度0.09～0.1Mpa的条件下抽真空处理20～40min，在压力大于等于0.5MPa的条件下用质量分数为13～17％的植酸溶液对木材进行浸渍处理，然后对木材进行干燥；在压力大于等于0.5MPa的条件下用质量分数为23～27％的醋酸锌溶液对木材进行浸渍处理，然后将木材置于温度65～75℃的条件下进行热风干燥。

10.权利要求1～9任一项所述方法制备得到的阻燃木材。