1、 木材改性与保护木材改性与保护林学院：张晓燕林学院：张晓燕第四章第四章 木材的阻燃处理木材的阻燃处理 第一节第一节 木材的燃烧木材的燃烧 一一 木材的可燃性木材的可燃性（一）木材的热分解（一）木材的热分解1 木材热分解过程木材热分解过程2 木材各成分的热分解木材各成分的热分解（二）（二）木材燃烧及其专业术语木材燃烧及其专业术语1 木材燃烧的四种状态：木材燃烧的四种状态：2 木材燃烧专业术语木材燃烧专业术语二二 燃烧过程中木材的性状变化燃烧过程中木材的性状变化 1 木材热分解过程木材热分解过程木材在隔绝空气的条件下升温，加热到：木材在隔绝空气的条件下升温，加热到：150200 时产生不燃性气体时
2、产生不燃性气体CO2、水蒸汽、微、水蒸汽、微量甲酸、乙酸；量甲酸、乙酸；高于高于200 时，碳水化合物分解产生焦油和可燃性时，碳水化合物分解产生焦油和可燃性挥发物；挥发物；高于高于450 时产生大量可燃性产物，剩余物为木炭。时产生大量可燃性产物，剩余物为木炭。木材热分解的主要产物见下表：木材热分解的主要产物见下表：木材树种木材树种木炭（木炭（%）焦油（焦油（%）气体（气体（%）松木（松木（200400，长时间），长时间）松木（松木（400600，快升温），快升温）云杉（云杉（200400，长时间），长时间）云杉（云杉（400600，快升温），快升温）山毛榉（山毛榉（200400，长时间），长时
3、间）山毛榉（山毛榉（400600，快升温），快升温）37.832.837.834.235.032.511.818.98.115.68.114.014.715.414.915.215.816.0木材热分解的主要产物：木材热分解的主要产物：木材热分解反应图例木材热分解反应图例木材木材初级气体初级气体初级焦油初级焦油木炭木炭次级气体次级气体低分子量液体低分子量液体次级焦油和木炭次级焦油和木炭裂解裂解裂解裂解裂解裂解聚合聚合聚合聚合聚合聚合聚合聚合2 木材各成分的热分解木材各成分的热分解木质素：木质素：主要生成木炭主要生成木炭纤维素、半纤维素：纤维素、半纤维素：主要生成挥发性热解产物主要生成挥发性热解
4、产物纤维素、半纤维素和木质素纤维素、半纤维素和木质素都生成少量焦油都生成少量焦油针叶材比阔叶材木质素含量高，热解时木炭得率高。针叶材比阔叶材木质素含量高，热解时木炭得率高。1 木材燃烧的四种状态：木材燃烧的四种状态：（1）自然燃烧：）自然燃烧：木材在没有外部火花、火焰等火源的木材在没有外部火花、火焰等火源的作用下，因受热或靠自身发热反应并蓄积热量而引起作用下，因受热或靠自身发热反应并蓄积热量而引起的燃烧。的燃烧。（2）有焰燃烧：）有焰燃烧：木材进行发光的气相燃烧，放出大量木材进行发光的气相燃烧，放出大量的热，占木材总发热量的的热，占木材总发热量的2/3。（3）发烟燃烧：）发烟燃烧：木材处于一种
5、无可见光而有烟雾的燃木材处于一种无可见光而有烟雾的燃烧过程。烧过程。（4）红热燃烧：）红热燃烧：木材处于固相状态而没有火焰的燃烧。木材处于固相状态而没有火焰的燃烧。2 木材燃烧专业术语木材燃烧专业术语（1）火焰）火焰发光的气相燃烧区域；发光的气相燃烧区域；（2）着火）着火用或者不用外来热源使木材起火；用或者不用外来热源使木材起火；（3）点火）点火使燃烧作用开始，又称引燃或点燃；使燃烧作用开始，又称引燃或点燃；（4）引燃温度）引燃温度在规定的试验条件下，使木材开始持在规定的试验条件下，使木材开始持续燃烧的最低温度。续燃烧的最低温度。（5）极限氧指数）极限氧指数在规定的试验条件下，木材在氧、在规定
6、的试验条件下，木材在氧、氮混合气流中刚好保持燃烧状态所需的最低氧浓度。氮混合气流中刚好保持燃烧状态所需的最低氧浓度。二二 燃烧过程中木材的性状变化燃烧过程中木材的性状变化 木材燃烧过程的五个阶段：木材燃烧过程的五个阶段：n升温：升温：外部热源作用外部热源作用n热分解：热分解：达到热分解温度时产生可燃气体达到热分解温度时产生可燃气体n着火：着火：可燃性气体可燃性气体（CO,CHCO,CH4 4，C C2 2H H6 6，C C2 2H H4 4等）等）被点燃被点燃n燃烧：燃烧：可燃气体燃烧引起木材固相表面的燃烧可燃气体燃烧引起木材固相表面的燃烧n蔓延：蔓延：燃烧产生的热量传递给相邻部位燃烧产生的
7、热量传递给相邻部位 第二节第二节 木材的阻燃处理木材的阻燃处理一一 木材阻燃机理木材阻燃机理1 覆盖作用（障碍作用）理论：覆盖作用（障碍作用）理论：2 稀释气体作用理论：稀释气体作用理论：3 热作用理论：热作用理论：4 抑制火焰内的连锁反应理论（自由基捕集理论）：抑制火焰内的连锁反应理论（自由基捕集理论）：5 脱水炭化作用理论脱水炭化作用理论6 催化木材热分解过程的理论催化木材热分解过程的理论二二 木材阻燃剂木材阻燃剂三三 木材的阻燃处理方法木材的阻燃处理方法1 覆盖作用（障碍作用）理论：覆盖作用（障碍作用）理论：阻燃剂在木材热阻燃剂在木材热解温度以下熔融，覆盖在木材表面上形成隔热解温度以下熔
8、融，覆盖在木材表面上形成隔热涂层或泡沫层，阻止可燃气体外逸和氧气进入涂层或泡沫层，阻止可燃气体外逸和氧气进入木材表面。木材表面。2 稀释气体作用理论：稀释气体作用理论：阻燃剂分解时放出不燃性阻燃剂分解时放出不燃性气体（气体（N2、NH3、CO2、卤化氢等）可降低木、卤化氢等）可降低木材热分解生成的可燃气体含量。材热分解生成的可燃气体含量。3 热作用理论：热作用理论：包括包括吸热吸热阻燃剂的分解和熔融是吸热反应，抑制阻燃剂的分解和熔融是吸热反应，抑制木材的温度上升，抑制木材释放结晶水，和木材的温度上升，抑制木材释放结晶水，和木材中水分的汽化；木材中水分的汽化；热传导热传导阻燃剂增加木材的导热性，
9、使其迅速阻燃剂增加木材的导热性，使其迅速散热，抑制木材温度上升；散热，抑制木材温度上升；隔热隔热阻挡热量向木材内传递。阻挡热量向木材内传递。4 抑制火焰内的连锁反应理论抑制火焰内的连锁反应理论 （自由基捕集理论）：（自由基捕集理论）：卤化物阻燃剂在热分解温度下生成的活性很高卤化物阻燃剂在热分解温度下生成的活性很高的游离基能捕集木材燃烧放出的自由基并与之作用，的游离基能捕集木材燃烧放出的自由基并与之作用，生成不燃物（卤化氢），从而阻止木材火焰中的连生成不燃物（卤化氢），从而阻止木材火焰中的连锁反应。反应过程为：锁反应。反应过程为：主要的自由基连锁反应：主要的自由基连锁反应：H +O 2HO +O
10、 O +H2 HO +H 卤化物消除自由基的原理（其中卤化物消除自由基的原理（其中X代表代表F、Cl、Br）对于对于H H +HX H2+X(将氢自由基变成了分子态将氢自由基变成了分子态)对于对于O O +X2 XO +X O +XO X +O2 (将氧自由基变成了分子态将氧自由基变成了分子态)此外，消除此外，消除HO 也有利于抑制燃烧过程：也有利于抑制燃烧过程：HO +XO HX +O2 HO +XO X +H2O 5 脱水炭化作用理论脱水炭化作用理论 阻燃剂加热时生成的酸或碱能使纤维素脱水形阻燃剂加热时生成的酸或碱能使纤维素脱水形成炭和水，而且阻燃剂大多是在木材的着火温度以成炭和水，而且阻
11、燃剂大多是在木材的着火温度以下促进木材脱水炭化。木炭的热传导率和热扩散率下促进木材脱水炭化。木炭的热传导率和热扩散率低，比热高，可抑制木材燃烧，另外，炭化物具有低，比热高，可抑制木材燃烧，另外，炭化物具有多孔结构，还有良好的隔热作用。多孔结构，还有良好的隔热作用。6 催化木材热分解过程的理论催化木材热分解过程的理论 经阻燃剂处理的木材能在较低的温度下发生分经阻燃剂处理的木材能在较低的温度下发生分解，从而改变木材热分解反应的途径，提高木材热解，从而改变木材热分解反应的途径，提高木材热解时的炭产量，降低可燃气体的产量。解时的炭产量，降低可燃气体的产量。二二 木材阻燃剂木材阻燃剂（一）木材阻燃剂的基
12、本条件（一）木材阻燃剂的基本条件1 1 在火焰温度下能阻止有烟燃烧，降低木材的热降解在火焰温度下能阻止有烟燃烧，降低木材的热降解和炭化速度；和炭化速度；2 2 阻止木材着火；阻止木材着火；3 3 阻止除去热源后的有烟燃烧及表面燃烧；阻止除去热源后的有烟燃烧及表面燃烧；4 4 价格低廉，无毒无污染，使用方便；价格低廉，无毒无污染，使用方便；5 5 处理后对木材和金属联接件无腐蚀作用，对木材加处理后对木材和金属联接件无腐蚀作用，对木材加工不产生障碍；工不产生障碍；6 6 具有耐溶剂性能和耐久性；具有耐溶剂性能和耐久性；7 7 不在木材表面产生结晶或其它沉积物；不在木材表面产生结晶或其它沉积物；8
13、8 不降低木材的物理、力学性能。不降低木材的物理、力学性能。（二）木材阻燃剂成分（二）木材阻燃剂成分 1 阻燃主剂阻燃主剂2 阻燃协效剂（增效剂）阻燃协效剂（增效剂）3 增稠剂增稠剂4 润湿剂润湿剂5 基料基料 （1）卤素系列阻燃剂）卤素系列阻燃剂（2）磷）磷氮系列阻燃剂：氮系列阻燃剂：（3）硼系阻燃剂硼系阻燃剂（4）氨基树脂阻燃剂）氨基树脂阻燃剂（1）卤素系列）卤素系列（2）多元醇）多元醇（3）氢氧化铝）氢氧化铝（4）尿素）尿素（5）硅酸钠和二氧化硅）硅酸钠和二氧化硅（6）硫酸铵）硫酸铵（1）卤素系列阻燃剂）卤素系列阻燃剂阻燃机理有两个方面：阻燃机理有两个方面：物理覆盖作用：这类阻燃剂受热分
14、解，放物理覆盖作用：这类阻燃剂受热分解，放出卤化氢，它是难燃性气体，不仅稀释空气中出卤化氢，它是难燃性气体，不仅稀释空气中的氧，更重要的是它们比空气重，在木材燃烧的氧，更重要的是它们比空气重，在木材燃烧区域形成覆盖保护层，使木材的燃烧速度减缓区域形成覆盖保护层，使木材的燃烧速度减缓或熄灭。或熄灭。卤素系列阻燃剂能中断木材燃烧中发生的卤素系列阻燃剂能中断木材燃烧中发生的游离基连锁反应。游离基连锁反应。（2）磷）磷氮系列阻燃剂：氮系列阻燃剂：包括各种磷酸盐、铵盐包括各种磷酸盐、铵盐 等，其中等，其中P、N起阻燃作用。其阻燃机理为：起阻燃作用。其阻燃机理为：在火焰中发生热分解，放出大量不燃性气体如在
15、火焰中发生热分解，放出大量不燃性气体如氨气和水蒸汽，从而冲淡木材热分解时所产生的可氨气和水蒸汽，从而冲淡木材热分解时所产生的可燃性气体，起到延缓燃烧的作用。燃性气体，起到延缓燃烧的作用。其本身还通过缩聚作用生成聚磷酸，它是一种其本身还通过缩聚作用生成聚磷酸，它是一种强有力的脱水炭化剂，且高温下十分稳定，极难挥强有力的脱水炭化剂，且高温下十分稳定，极难挥发可使木材的表面迅速脱水炭化形成炭化层。炭化发可使木材的表面迅速脱水炭化形成炭化层。炭化层的热传导率低，可抑制内层的热分解。缩聚产物层的热传导率低，可抑制内层的热分解。缩聚产物还能形成耐高温的玻璃状液体覆盖层，起到隔热和还能形成耐高温的玻璃状液体
16、覆盖层，起到隔热和隔绝空气的作用。例如：隔绝空气的作用。例如：(NH4)2HPO4的热分解反应及缩聚反应如下：的热分解反应及缩聚反应如下：(HPO3)X +Q(NH4)2HPO4 70 NH4H2PO2 +NH33NH4H2PO2 130 H4P2O7 +HPO3 +3NH3 +H2OX(HPO3)（3）硼系阻燃剂硼系阻燃剂 为膨胀型阻燃剂，遇热产生水蒸汽，本身膨胀为膨胀型阻燃剂，遇热产生水蒸汽，本身膨胀形成覆盖层，起隔热、隔绝空气的作用，从而达到形成覆盖层，起隔热、隔绝空气的作用，从而达到阻燃目的。包括硼酸、硼砂、多硼酸钠等。阻燃目的。包括硼酸、硼砂、多硼酸钠等。以硼酸为例，硼酸为低熔点化合
17、物，随受热温以硼酸为例，硼酸为低熔点化合物，随受热温度的升高，最后生成三氧化二硼，它软化呈玻璃状度的升高，最后生成三氧化二硼，它软化呈玻璃状薄膜，覆盖于燃烧着的木材表面，起到隔热排氧的薄膜，覆盖于燃烧着的木材表面，起到隔热排氧的功能。其受热的反应方程式为：功能。其受热的反应方程式为：H3BO370 HBO2 +H2O4HBO2140160 H2B4O7 +H2OH2B4O7330 2B2O3 +H20 （4）氨基树脂阻燃剂）氨基树脂阻燃剂 其阻燃机理是这类树脂在其阻燃机理是这类树脂在150180 开始发泡，开始发泡，起到隔火作用，并在高温下放出氮气，稀释着火木材起到隔火作用，并在高温下放出氮气
18、，稀释着火木材周围的氧气。周围的氧气。常用的有常用的有:尿素尿素双氰胺双氰胺甲醛甲醛磷酸（磷酸（UDFP）树脂）树脂 三聚氰胺三聚氰胺双氰胺双氰胺甲醛甲醛磷酸（磷酸（MDFP）树脂。）树脂。2 阻燃协效剂（增效剂）阻燃协效剂（增效剂）其作用是提高和加强主剂的阻燃效果，降低主剂其作用是提高和加强主剂的阻燃效果，降低主剂用量，在阻燃剂配方中占用量，在阻燃剂配方中占510%。（1）卤素系列）卤素系列 由于阻燃主剂由于阻燃主剂PN系列的阻燃作用是在固相中系列的阻燃作用是在固相中进行，而卤素系列的阻燃作用是在气相中进行的，进行，而卤素系列的阻燃作用是在气相中进行的，所以卤素系列是所以卤素系列是PN系列良
19、好的协效剂。系列良好的协效剂。（2）多元醇）多元醇 也是也是PN系列良好的协效剂。多元醇可与系列良好的协效剂。多元醇可与PN系系列的缩聚产物聚磷酸发生酯化反应，并进一步脱水炭列的缩聚产物聚磷酸发生酯化反应，并进一步脱水炭化，降低传热速度；同时放出水蒸汽和不燃气体，膨化，降低传热速度；同时放出水蒸汽和不燃气体，膨胀发泡进一步起到隔热隔氧作用。胀发泡进一步起到隔热隔氧作用。（3）氢氧化铝）氢氧化铝 是氨基树脂阻燃剂的优良协效剂。其热稳定性好，是氨基树脂阻燃剂的优良协效剂。其热稳定性好，在在300 下加热分解，生成的三氧化二铝是一种惰性下加热分解，生成的三氧化二铝是一种惰性的吸热载体，能减慢木材燃烧
20、速度，是一种无毒无公的吸热载体，能减慢木材燃烧速度，是一种无毒无公害、价格便宜的白色粉末。害、价格便宜的白色粉末。（4）尿素）尿素 也是也是PN系列良好的协效剂。它遇热缩聚生成系列良好的协效剂。它遇热缩聚生成玻璃状液体覆盖层，起到隔火、阻燃作用。其热分玻璃状液体覆盖层，起到隔火、阻燃作用。其热分解反应如下：解反应如下：NH2CONH2加热加热NH3 +H2NCONHCONH2H2NCONHCONH2 +NH2CONH2加热加热加热加热 (HNCO)3 +2NH3(三聚氰酸）三聚氰酸）(HNCO)33HNCO（异氰酸）（异氰酸）（5）硅酸钠和二氧化硅）硅酸钠和二氧化硅 硅酸钠工业上称水玻璃，它和
21、二氧化硅都是耐高硅酸钠工业上称水玻璃，它和二氧化硅都是耐高温材料，一般用作阻燃涂料。温材料，一般用作阻燃涂料。（6）硫酸铵）硫酸铵 是是PN系列的协效剂，有降低烟密度的作用系列的协效剂，有降低烟密度的作用。3 增稠剂增稠剂 其功能是增加阻燃浸渍剂的粘度，增强浸渍剂其功能是增加阻燃浸渍剂的粘度，增强浸渍剂在木材内的固着性，避免盐类析出表面，非水溶性在木材内的固着性，避免盐类析出表面，非水溶性的增稠剂还有抗流失的作用。如无机的水玻璃、有的增稠剂还有抗流失的作用。如无机的水玻璃、有机的淀粉、聚乙烯醇。机的淀粉、聚乙烯醇。4 润湿剂润湿剂 是一种表面活性剂，其功能是降低阻燃剂的表是一种表面活性剂，其功
22、能是降低阻燃剂的表面张力及液固两相的界面张力，增强阻燃剂在木材面张力及液固两相的界面张力，增强阻燃剂在木材中的渗透能力。中的渗透能力。5 基料基料 浸注木材阻燃剂的基料大多是水，阻燃涂料的浸注木材阻燃剂的基料大多是水，阻燃涂料的基料是天然或合成树脂。基料是天然或合成树脂。（三）木材阻燃剂种类（三）木材阻燃剂种类分两类：分两类：阻燃涂料阻燃涂料 浸注木材用的阻燃剂浸注木材用的阻燃剂 表层处理表层处理 深层处理深层处理 实用、经济实用、经济 表面磨损不影响阻燃性表面磨损不影响阻燃性 表面磨损失去阻燃性表面磨损失去阻燃性 处理费用高处理费用高 1 阻燃涂料阻燃涂料 又称防火涂料，根据其防火性能又分为
23、：又称防火涂料，根据其防火性能又分为：（1）非膨胀型阻燃涂料：）非膨胀型阻燃涂料：靠其本身的高难燃性或不燃性靠其本身的高难燃性或不燃性达到阻燃目的。当遇火时，形成一种隔绝氧气的釉状保护层。达到阻燃目的。当遇火时，形成一种隔绝氧气的釉状保护层。但这种釉状保护层隔热性能差，容易被烧裂，阻燃效果有限，但这种釉状保护层隔热性能差，容易被烧裂，阻燃效果有限，但其本身的高难燃性或不燃性对于抵抗瞬时性高温有较好的但其本身的高难燃性或不燃性对于抵抗瞬时性高温有较好的效果。效果。（2）膨胀型阻燃涂料：）膨胀型阻燃涂料：以高分子聚合物为基料，添加发以高分子聚合物为基料，添加发泡剂等构成防火体系，遇火时形成均匀而致
24、密的蜂窝状或海泡剂等构成防火体系，遇火时形成均匀而致密的蜂窝状或海绵状碳质泡沫层，比原涂层厚几十倍，且不易烧裂，有很好绵状碳质泡沫层，比原涂层厚几十倍，且不易烧裂，有很好的隔绝氧气的作用，而且有非常良好的隔热效果。的隔绝氧气的作用，而且有非常良好的隔热效果。2 浸注木材用的阻燃剂浸注木材用的阻燃剂 （1）无机阻燃剂）无机阻燃剂 常用的无机阻燃剂有以磷酸铵为主的常用的无机阻燃剂有以磷酸铵为主的PN系，系，以硼化物为主的硼系，含卤素化合物的卤系，以及以硼化物为主的硼系，含卤素化合物的卤系，以及含镁、铝等金属氧化物或氢氧化物等。含镁、铝等金属氧化物或氢氧化物等。（2）有机阻燃剂）有机阻燃剂MDP树脂
25、：能与木材构成交联结合，抗流失。树脂：能与木材构成交联结合，抗流失。UDFP树脂：抗流失，耐腐蚀，比树脂：抗流失，耐腐蚀，比MDP的活性期的活性期 长，用于制作阻燃人造板。长，用于制作阻燃人造板。MDFP树脂：与树脂：与UDFP类似。类似。三三 木材的阻燃处理方法木材的阻燃处理方法 （一）深层处理：（一）深层处理：通过一定手段使阻燃剂浸注木材通过一定手段使阻燃剂浸注木材达到一定深度的处理方法。一般采用浸渍法和浸注法，达到一定深度的处理方法。一般采用浸渍法和浸注法，浸渍法适合于渗透性好的树种和无机阻燃剂；浸注法浸渍法适合于渗透性好的树种和无机阻燃剂；浸注法是用来处理渗透性差的木材，常用真空加压法
26、注入。是用来处理渗透性差的木材，常用真空加压法注入。（二）表面处理：（二）表面处理：即在木材表面涂刷或喷淋阻燃物质。即在木材表面涂刷或喷淋阻燃物质。常用的方法是涂阻燃涂料。浸渍用的阻燃剂不用来处常用的方法是涂阻燃涂料。浸渍用的阻燃剂不用来处理成材，只适宜处理单板，通过药剂层积起到一定的理成材，只适宜处理单板，通过药剂层积起到一定的阻燃作用。阻燃作用。（三）贴面处理：（三）贴面处理：是在木材表面贴具有阻燃作用的材料。是在木材表面贴具有阻燃作用的材料。第三节第三节 木材阻燃性能的检验方法木材阻燃性能的检验方法一一 木棒垂直燃烧法木棒垂直燃烧法二二 45 45 角薄板燃烧法角薄板燃烧法三三 纸片法纸
27、片法四四 氧指数法氧指数法 一一 木棒垂直燃烧法木棒垂直燃烧法 将试样用阻燃剂处理，干燥后称重，垂直挂于将试样用阻燃剂处理，干燥后称重，垂直挂于燃烧柜内支架上，用纯酒精或一定高度火焰的其它燃烧柜内支架上，用纯酒精或一定高度火焰的其它热源点燃一定时间，火源熄灭后，用秒表记录有焰热源点燃一定时间，火源熄灭后，用秒表记录有焰燃烧时间和无焰燃烧时间、炭化高度、失重值，同燃烧时间和无焰燃烧时间、炭化高度、失重值，同未处理材对比，判断阻燃剂的阻燃性能。未处理材对比，判断阻燃剂的阻燃性能。二二 45角薄板燃烧法角薄板燃烧法 将薄板用阻燃剂处理，干燥后称重，放在燃烧将薄板用阻燃剂处理，干燥后称重，放在燃烧室中
28、室中45角支架上，用一定量酒精或一定高度火角支架上，用一定量酒精或一定高度火焰的其它热源点燃一定时间，火源熄灭后，用秒表焰的其它热源点燃一定时间，火源熄灭后，用秒表记录试样有焰燃烧时间（阳燃时间）、无焰燃烧时记录试样有焰燃烧时间（阳燃时间）、无焰燃烧时间（阴燃时间）、炭化高度、失重值。间（阴燃时间）、炭化高度、失重值。三三 纸片法纸片法 该法用于筛选木材阻燃剂，有效而且方便。该法用于筛选木材阻燃剂，有效而且方便。将一定规格的滤纸切成片，高将一定规格的滤纸切成片，高13，宽，宽6，称重，称重，浸注不同浓度的阻燃剂中，浸泡浸注不同浓度的阻燃剂中，浸泡6后取出，在塑料后取出，在塑料丝网上晾干过夜，再
29、称重，测得载药量。将浸过药丝网上晾干过夜，再称重，测得载药量。将浸过药液的滤纸片挂在铁架上，用液的滤纸片挂在铁架上，用2高火焰在滤纸下端垂高火焰在滤纸下端垂直点燃直点燃12秒钟，观察未燃面积大小。秒钟，观察未燃面积大小。四四 氧指数法氧指数法 氧指数即正好维持材料燃烧时的最低氧浓度。氧指数即正好维持材料燃烧时的最低氧浓度。式中：式中：Vo2 混合气体中氧的体积流速（混合气体中氧的体积流速（cm3/s）VN2 混合气体中氮的体积流速（混合气体中氮的体积流速（cm3/s）根据测得的氧指数值可将材料划分为三类：根据测得的氧指数值可将材料划分为三类：OI=VO2 VO2+VN2100 OI值值27（2
30、8）自灭型材料自灭型材料玻璃筒玻璃筒试样试样金属网金属网试样夹试样夹玻璃珠玻璃珠底座底座进气口进气口 燃烧柱示意图燃烧柱示意图第四节第四节 阻燃处理后木材性能的变化阻燃处理后木材性能的变化 一一 烟雾和毒气烟雾和毒气 阻燃处理后的木材燃烧时也产生烟雾和气体，烟雾量阻燃处理后的木材燃烧时也产生烟雾和气体，烟雾量较未处理的木材有的增大，有的减少，取决于所用化学药品较未处理的木材有的增大，有的减少，取决于所用化学药品的种类和燃烧的条件；毒气形成的可能性可根据阻燃剂的配的种类和燃烧的条件；毒气形成的可能性可根据阻燃剂的配方估计出来，含氯化合物可产生氯气、氯化氢，含氮化合物方估计出来，含氯化合物可产生氯
31、气、氯化氢，含氮化合物可产生氨气，有机化合物处理后的毒性还不清楚。可产生氨气，有机化合物处理后的毒性还不清楚。二二 强度强度 阻燃处理后的木材如经高温炉干，其力学强度会降低，阻燃处理后的木材如经高温炉干，其力学强度会降低，某些化合物可引起木材酸性降解，也使木材强度下降。某些化合物可引起木材酸性降解，也使木材强度下降。三三 吸湿性吸湿性 用无机阻燃剂处理的木材吸湿性加大并且和用无机阻燃剂处理的木材吸湿性加大并且和木材的大小、树种、温度、相对湿度、化合物的种木材的大小、树种、温度、相对湿度、化合物的种类和数量有关。类和数量有关。四四 胶合作用胶合作用 胶合质量不如未处理材。胶合质量不如未处理材。五
32、五 腐蚀性腐蚀性 无机阻燃剂多有腐蚀性，被处理的木材如果同无机阻燃剂多有腐蚀性，被处理的木材如果同金属接触，不应放在较高相对湿度下很长时间，因金属接触，不应放在较高相对湿度下很长时间，因为化学药剂可腐蚀金属，腐蚀的金属又使木材变质。为化学药剂可腐蚀金属，腐蚀的金属又使木材变质。六六 油漆性能油漆性能 有机阻燃剂多不影响油漆性能，无机阻燃剂在有机阻燃剂多不影响油漆性能，无机阻燃剂在干燥条件下一般也没有问题，但在高的相对湿度下干燥条件下一般也没有问题，但在高的相对湿度下影响漆膜的胶着，或使化合物的结晶浮现在油漆表影响漆膜的胶着，或使化合物的结晶浮现在油漆表面，所以一般不用无机盐类处理。面，所以一般
33、不用无机盐类处理。七七 耐候性耐候性 阻燃处理的木材在干燥条件下放置是耐久而稳阻燃处理的木材在干燥条件下放置是耐久而稳定的，但无机盐类处理的木材不能放于室外淋雨，定的，但无机盐类处理的木材不能放于室外淋雨，可用防水涂料涂刷表面保护之。户外用的阻燃材可可用防水涂料涂刷表面保护之。户外用的阻燃材可用抗流失的树脂类阻燃剂浸渍。用抗流失的树脂类阻燃剂浸渍。第五第五章章 木材的尺寸稳定性处理木材的尺寸稳定性处理 第一节第一节 木材的变形木材的变形 一一 木材对水分的吸着机构木材对水分的吸着机构（一）表面极性基（一）表面极性基 主要为羟基和羧基，木质素、半纤维素及纤主要为羟基和羧基，木质素、半纤维素及纤维
34、素的非结晶区都可以吸引水分子形成吸着水分子维素的非结晶区都可以吸引水分子形成吸着水分子层（单层或多层），这叫表面结合水，与木材表面层（单层或多层），这叫表面结合水，与木材表面有氢键结合力。有氢键结合力。（二）微毛细管（二）微毛细管 干材细胞壁内有一部分微毛细管，特别是随干材细胞壁内有一部分微毛细管，特别是随着无定形区的不饱和羟基吸着水分，微纤丝胶束间着无定形区的不饱和羟基吸着水分，微纤丝胶束间的距离扩大，形成大量的瞬间微毛细管，水蒸气在的距离扩大，形成大量的瞬间微毛细管，水蒸气在管内凝结形成的水叫微毛细管凝结水。管内凝结形成的水叫微毛细管凝结水。相对蒸汽压和形成凝结水的微毛细管半径之间的相对蒸
35、汽压和形成凝结水的微毛细管半径之间的关系为：关系为：根据上式可以计算在任意相对蒸汽压下具有凝结根据上式可以计算在任意相对蒸汽压下具有凝结作用的毛细管半径：作用的毛细管半径：P/P0 r r（毫米）（毫米）P/P0 r r（毫米）（毫米）0.90 0.010 0.99 0.106 0.95 0.020 0.995 0.210 0.97 0.035 0.999 1.060 0.98 0.053 0.9999 10.60 r=r=2M2MRTln(P0/P)二二 木材主要成分的吸湿性木材主要成分的吸湿性 半纤维素纤维素木质素。半纤维素纤维素木质素。纤维素的最大湿胀量是纤维素的最大湿胀量是52%，半纤
36、维素具有更大，半纤维素具有更大的吸湿性，因为水分子不能进入纤维素的结晶区。的吸湿性，因为水分子不能进入纤维素的结晶区。木质素的亲水性大约相当于纤维素的木质素的亲水性大约相当于纤维素的40%，其最，其最大湿胀量为大湿胀量为4%，因为木质素形成一种结壳物质，因为木质素形成一种结壳物质，阻止了木材对水分的吸着。阻止了木材对水分的吸着。在纤维饱和点附近木材各成分的平衡含水率：在纤维饱和点附近木材各成分的平衡含水率：相对湿度（相对湿度（%）半纤维素半纤维素 全纤维素全纤维素 木质素木质素 95 4763 2430 823 100 /51.7 1032 三三 木材的湿胀干缩量木材的湿胀干缩量 木材的木材的
37、湿胀率（湿胀率（Sw，%）是用从绝干材到生材是用从绝干材到生材的湿胀量对绝干材尺寸之比的百分率表示；的湿胀量对绝干材尺寸之比的百分率表示；干缩率（干缩率（Sh，%）是用从生材到绝干材的干缩是用从生材到绝干材的干缩量对生材尺寸之比的百分率表示，量对生材尺寸之比的百分率表示，两者间的关系为：两者间的关系为：Sw=100 Sw100+Sw100 Sh100+ShSh=木材的湿胀干缩与密度有关：木材的湿胀干缩与密度有关：Sw=Mf G0(%)Sh=Mf Gg(%)式中式中，Mf纤维饱和点（纤维饱和点（%）；）；G0全干材密度（全干材密度（g/cm3）；）；Gg基本密度（基本密度（g/cm3）。）。木材
38、的湿胀干缩是各向异性的。多数情况下：木材的湿胀干缩是各向异性的。多数情况下：Sv=8.926.0%SL=0.10.9%（很小）（很小）Sr=2.411.0%St=3.515.0%实际应用中采用：实际应用中采用：Sv=Sr+St Sr/St=1/2一一 衡量尺寸稳定处理效果的指标衡量尺寸稳定处理效果的指标1 抗收缩（膨胀）率（抗收缩（膨胀）率（ASE）：）：2 阻湿率（阻湿率（MEE）3 抗吸水率（抗吸水率（RWA）4 增容率（增容率（B）5 聚合物留存率（又称增重率，聚合物留存率（又称增重率，PL）第二节第二节 提高木材尺寸稳定性的基本途径提高木材尺寸稳定性的基本途径 1 抗收缩（膨胀）率（抗
39、收缩（膨胀）率（ASE）：）：2 阻湿率（阻湿率（MEE）ASE=S1-S2S1V2-V1V1S=100%100%100%MEE=MC-MTMC100%式中：式中：S1，S2未处理试样和处理试样的体积膨胀系数未处理试样和处理试样的体积膨胀系数 V1，V2同一试样在浸水前和浸水后的体积同一试样在浸水前和浸水后的体积式中：式中：MC未处理材的吸湿率；未处理材的吸湿率；MT处理材的吸湿率。处理材的吸湿率。3 抗吸水率（抗吸水率（RWA）4 增容率（增容率（B）100%RWA=WC-WTWC100%B=VT-VCVC式中：式中：WC未处理材的吸水率；未处理材的吸水率；WT处理材的吸水率。处理材的吸水率
40、。式中：式中：VC未处理材的绝干体积；未处理材的绝干体积；VT处理材的绝干体积。处理材的绝干体积。5 聚合物留存率（又称增重率，聚合物留存率（又称增重率，PL）PL=GT-GCGC100%(1+B)DT -DCDCPL=100%式中：式中：GC未处理材的绝干重量；未处理材的绝干重量；GT处理材的绝干重量。处理材的绝干重量。式中：式中：DC未处理材的密度；未处理材的密度；DT处理材的密度；处理材的密度；B增容率。增容率。二二 提高木材尺寸稳定性的原理提高木材尺寸稳定性的原理 1 减少内部膨胀量减少内部膨胀量 可以通过三条原理实现：可以通过三条原理实现：（1）用极性较小或非极性基团取代羟基；）用极
41、性较小或非极性基团取代羟基；（2）用憎水物（涂料）覆盖自由表面，防止水分子）用憎水物（涂料）覆盖自由表面，防止水分子进入胞壁内的网状结构；进入胞壁内的网状结构；（3）充胀细胞壁。）充胀细胞壁。2 减少传递给外部尺寸的膨胀量，减少传递给外部尺寸的膨胀量，如在胶合板内利如在胶合板内利用纵向单板牵制弦向的变化。用纵向单板牵制弦向的变化。三三 提高木材尺寸稳定性的基本途径提高木材尺寸稳定性的基本途径 1 机械抑制。机械抑制。利用胶合板，因为胶合板是将单板纵横交错用胶压制而利用胶合板，因为胶合板是将单板纵横交错用胶压制而成的，可以利用干缩变形很小的纵向机械地抑制横向的干缩。成的，可以利用干缩变形很小的纵
42、向机械地抑制横向的干缩。同时，顺纹方向的强度较大，可以弥补木材横纹方向强度小同时，顺纹方向的强度较大，可以弥补木材横纹方向强度小的缺点，使木材的材性比较均一。的缺点，使木材的材性比较均一。2 施加内部或外部涂料。施加内部或外部涂料。在木材表面上涂抹涂料，可以阻碍木材与湿气接触，降低在木材表面上涂抹涂料，可以阻碍木材与湿气接触，降低木材中因水分梯度而产生的应力。木材中因水分梯度而产生的应力。3 降低木材的吸湿性。降低木材的吸湿性。如高温干燥木材，将含水率降如高温干燥木材，将含水率降到到101015%15%，或用化学药剂处理，使之与木材组分发生化学，或用化学药剂处理，使之与木材组分发生化学反应，减
43、少羟基含量，或热处理封闭部分羟基，从而降低反应，减少羟基含量，或热处理封闭部分羟基，从而降低木材的吸湿性。木材的吸湿性。4 充胀处理。充胀处理。将某物质浸入细胞壁内部，使其体积永久性的将某物质浸入细胞壁内部，使其体积永久性的保持充胀状态。如用水溶性的酚醛树脂浸渍木材，使树脂保持充胀状态。如用水溶性的酚醛树脂浸渍木材，使树脂渗入并凝固在细胞壁内，从而使木材的尺寸保持稳定。将渗入并凝固在细胞壁内，从而使木材的尺寸保持稳定。将木材浸入单体，而后使单体在木材内聚合成木塑复合材，木材浸入单体，而后使单体在木材内聚合成木塑复合材，也可提高其尺寸稳定性。也可提高其尺寸稳定性。5 使木材组分间形成化学交联（以
44、甲醛为交联剂，产使木材组分间形成化学交联（以甲醛为交联剂，产生缩醛键）生缩醛键）第三节第三节 木材的尺寸稳定性处木材的尺寸稳定性处理理一一 处理原则处理原则 是在保持木材原有优良性能的前提下，改变其是在保持木材原有优良性能的前提下，改变其吸湿和干缩湿胀性能。它有两种处理方式；吸湿和干缩湿胀性能。它有两种处理方式；1 处理仅限于细胞壁内纤维素的非结晶区部分；处理仅限于细胞壁内纤维素的非结晶区部分；2 细胞壁未经处理，仅仅是细胞腔内充填、沉积某细胞壁未经处理，仅仅是细胞腔内充填、沉积某些化学药剂。些化学药剂。二二 模型分析模型分析 尺寸稳定化处理木材构造模型尺寸稳定化处理木材构造模型 A 细胞横断
45、面细胞横断面 尺寸稳定化处理木材构造模型尺寸稳定化处理木材构造模型B 细胞壁非结晶区的纤维素分子链模型细胞壁非结晶区的纤维素分子链模型B 三三 处理方法处理方法 （一）物理法（一）物理法 1 防水处理（拒水处理，憎水处理）防水处理（拒水处理，憎水处理）2 防湿处理防湿处理 外表面覆盖外表面覆盖 内表面覆盖内表面覆盖 3 酚醛树脂处理酚醛树脂处理 4 聚乙二醇（聚乙二醇（PEG）处理）处理 1 防水处理（拒水处理，憎水处理）防水处理（拒水处理，憎水处理）即提高木材对水分的润湿、浸透的抵抗能即提高木材对水分的润湿、浸透的抵抗能力的处理方法。其中只使木材具有抵抗水分润力的处理方法。其中只使木材具有抵
46、抗水分润湿性能的处理称为拒水处理（憎水处理）。如湿性能的处理称为拒水处理（憎水处理）。如用硅油、石蜡等处理。用硅油、石蜡等处理。2 防湿处理防湿处理（1）外表面覆盖）外表面覆盖：既在木材表面涂饰或胶贴贴面材：既在木材表面涂饰或胶贴贴面材料。犹如一层保护膜隔绝了木材与外界空气、水分、料。犹如一层保护膜隔绝了木材与外界空气、水分、阳光、各种液体、昆虫的直接接触。阳光、各种液体、昆虫的直接接触。（2）内表面覆盖：）内表面覆盖：将拒水材料溶解在挥发性的溶剂将拒水材料溶解在挥发性的溶剂中制成粘度低、流动性能好的溶液注入木材内部，中制成粘度低、流动性能好的溶液注入木材内部，当溶剂挥发后将拒水材料留在木材的
47、内表面上。如当溶剂挥发后将拒水材料留在木材的内表面上。如将松香、漆片等天然树脂溶解在烷烃、石油醚溶剂将松香、漆片等天然树脂溶解在烷烃、石油醚溶剂中注入木材。中注入木材。3 酚醛树脂处理酚醛树脂处理 用低分子量的酚醛注入木材后加热与木材组用低分子量的酚醛注入木材后加热与木材组分产生缩合、聚合反应，生成不溶性树脂，使分产生缩合、聚合反应，生成不溶性树脂，使木材获得尺寸的稳定性，也可改善其它性能木材获得尺寸的稳定性，也可改善其它性能。处理模式如构造模型中的处理模式如构造模型中的A-5，B-4,6。4 聚乙二醇（聚乙二醇（PEG）处理）处理 （1）PEG的性质：的性质：无色、无味、透明的水溶性物无色、
48、无味、透明的水溶性物质，分子量较小时呈液态，分子量较大时呈固态，质，分子量较小时呈液态，分子量较大时呈固态，对金属无腐蚀，对人、畜无害。对金属无腐蚀，对人、畜无害。不同分子量的不同分子量的PEG吸湿性不同，研究表明，用分吸湿性不同，研究表明，用分子量为子量为10001500PEG效果最好，因为低分子量效果最好，因为低分子量的的PEG可以以任意比例与水相容，适宜作增容剂，可以以任意比例与水相容，适宜作增容剂，分子量大的分子量大的PEG不易进入木材的细胞壁。处理机理不易进入木材的细胞壁。处理机理类似于模型中的类似于模型中的A-5，B-8。相对分子相对分子量不同的量不同的PEG的吸的吸湿等温线湿等温
49、线 （2）木材的）木材的PEG处理：注意事项处理：注意事项 *PEG适于处理生材或湿材。因为木材的含水率越高，适于处理生材或湿材。因为木材的含水率越高，PEG的存留率越大，处理材的抗胀缩率（的存留率越大，处理材的抗胀缩率（ASE）也越高。）也越高。*配制配制PEG水溶液时，应首先将水溶液时，应首先将PEG在金属容器中加热融化，在金属容器中加热融化，之后再加适量水配成溶液。不要先加热溶解，否则之后再加适量水配成溶液。不要先加热溶解，否则PEG不不易溶解。易溶解。*PEG处理生材时，其中的水溶性抽出物溶于处理生材时，其中的水溶性抽出物溶于PEG水溶液而使水溶液而使其着色。在其中添加漂白剂（如亚氯酸
50、钠、过氧化氢）就其着色。在其中添加漂白剂（如亚氯酸钠、过氧化氢）就可分解着色成分。可分解着色成分。*PEG处理的木材抗压、抗弯强度和耐磨性均随处理的木材抗压、抗弯强度和耐磨性均随PEG留存量的留存量的增加而增加，但木材细胞壁未被强化，微纤丝的运动比未增加而增加，但木材细胞壁未被强化，微纤丝的运动比未处理材容易，在横向荷载作用下，细胞壁易于变形。处理材容易，在横向荷载作用下，细胞壁易于变形。（4）PEG处理材的材性处理材的材性 *尺寸稳定性尺寸稳定性提高。提高。*力学性质：力学性质：抗压、抗弯强度和耐磨性均随抗压、抗弯强度和耐磨性均随PEG留存量留存量的增加而增加，但由于处理材受增容效应的影响，
