汪浩明

(蘇州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢驗檢測中心，江蘇 蘇州 215133)

紅外光譜技術(shù)在阻燃木材熱分解過程中的分析應(yīng)用

汪浩明

(蘇州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢驗檢測中心，江蘇 蘇州 215133)

采用紅外光譜技術(shù)檢測分析了木材阻燃處理前后及其在不同溫度熱處理條件下木材化學(xué)基團(tuán)的變化。

紅外光譜；熱處理；木材阻燃；化學(xué)基團(tuán)

木材燃燒過程實質(zhì)上是木材主成分化學(xué)反應(yīng)的過程，木材受到熱作用熱分解后釋放出的化合物數(shù)量高達(dá)數(shù)百種，最終殘留下炭和無機(jī)礦物質(zhì)[1]。木材阻燃機(jī)理是通過化學(xué)手段來改變木材主成分的熱分解過程，減少可燃性氣體的釋放量，使燃燒殘留物增加。其中，受熱溫度、受熱時間和氣體氛圍等條件直接影響木材化學(xué)成分的變化過程[2-3]。因此，掌握經(jīng)阻燃劑處理后的木材在熱處理時化學(xué)成分及其基團(tuán)的反應(yīng)過程，對研究和分析阻燃劑的阻燃效果及其機(jī)理具有相當(dāng)重要的意義。本試驗通過檢測分析木材及阻燃處理材經(jīng)過熱處理后其各自燃燒殘留物的紅外光譜對照圖，研究了木材經(jīng)不同阻燃劑處理及在不同熱處理溫度條件下其化學(xué)基團(tuán)的變化，揭示了阻燃劑影響木材燃燒的機(jī)理，為今后尋找高效、新型的阻燃劑提供理論依據(jù)。

1 試驗材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗材料

木材試樣：樟子松(pinaceae.sylvestrisvar.mongolicaLitv.)，尺寸規(guī)格為100 mm×100 mm×20 mm，產(chǎn)自黑龍江。

阻燃試劑：固體粉末狀，主要成分為(NH4)2HPO3，含量≥98%，購于上海維塔化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗設(shè)備

傅立葉變換紅外光譜儀：型號Nicolet 380，掃描次數(shù)126次，分辨率4 cm-1。

箱式電阻爐：型號SX2-512，最高溫度可達(dá)1 000 ℃。

1.3 試驗方法

(1)阻燃處理：將木材試樣用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.7%的(NH4)2HPO3水溶液浸漬處理24 h，取出后在70 ℃的溫度下干燥1 h，然后在常溫條件下放置7天，使其含水率保持在8%左右。

(2)研磨木粉：將經(jīng)阻燃處理及未經(jīng)阻燃處理的木材試樣分別用植物原料粉碎機(jī)研磨成木粉，并保證其全部可通過100目標(biāo)準(zhǔn)篩。

(3)熱處理：用箱式電阻爐分別對經(jīng)阻燃處理及未經(jīng)阻燃處理的木粉在不同溫度下進(jìn)行加熱處理，熱處理溫度分別為200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃。

(4)紅外光譜檢測：取適量經(jīng)阻燃處理及未經(jīng)阻燃處理的木粉，在不同溫度下熱處理后放在傅立葉變換紅外光譜儀的分光光度計鍺晶片上進(jìn)行測定，然后根據(jù)其紅外光譜圖進(jìn)行分析。

2 試驗結(jié)果與分析

阻燃處理前后木粉的紅外光譜變化如圖1所示。

圖1 阻燃處理前后木粉的紅外光譜圖

不同溫度熱處理條件下木粉的紅外光譜變化如圖2所示，阻燃處理木粉在不同溫度熱處理條件下的紅外光譜變化如圖3所示。

圖2 不同溫度熱處理條件下木粉的紅外光譜變化

圖3 阻燃處理木粉在不同溫度熱處理條件下的紅外光譜變化

由圖中可以看出，在200 ℃熱處理條件下，木粉的紅外光譜圖在3 100～3 600 cm-1處的吸收峰減弱，這是因為水分子中的O-H鍵減少，因為在此溫度下木粉只發(fā)生輕微的脫水作用，并未發(fā)生熱降解。而由圖3可以看出，經(jīng)過阻燃處理的木粉經(jīng)200 ℃高溫處理后，其O-H吸收帶在紅外光譜圖中顯示3 100～3 600 cm-1處的減弱明顯，這表明脫水反應(yīng)對于阻燃處理后的木粉來說變得非常容易進(jìn)行；在1 737 cm-1處吸收峰也減弱，O-H鍵吸收峰明顯減弱，乙?；豢梢?，表明這時已發(fā)生了脫水作用和熱分解作用，進(jìn)一步脫去乙?；瑹峤到庾饔靡演^弱，阻燃劑對木材的處理使得木粉開始分解的溫度降低得到了證實。另據(jù)觀察，200 ℃高溫處理后木粉的顏色變?yōu)樽厣?/p>

在300 ℃高溫處理時，經(jīng)阻燃處理和未經(jīng)阻燃處理的木粉外觀都已經(jīng)變?yōu)楹谏ｏ柡兔焰I(糖苷鍵)及羥基的吸收大大減弱，表明此時脫水已經(jīng)結(jié)束，飽和C-H鍵明顯減弱，說明糖類的熱降解已經(jīng)開始[4-5]。

熱處理溫度逐漸升高，紅外光譜圖顯示來自羧酸的C=O基團(tuán)在1 720 cm-1處的吸收帶開始變強(qiáng)，來自磷酸氫二銨的P=O 基團(tuán)在1 250 cm-1處的吸收帶則沒有什么變化；而木粉在阻燃處理后C=O基團(tuán)在1 720 cm-1處沒有明顯變化，P=O 基團(tuán)在1 250 cm-1處吸收帶顯著增強(qiáng)，這說明來自羧酸的C=O基團(tuán)被磷系阻燃劑所抑制，減慢了燃燒分解反應(yīng)，并使來自磷酸氫二銨的P=O基團(tuán)增多，抑制了火焰，原因是P=O基團(tuán)與火焰區(qū)域中的氫原子結(jié)合。經(jīng)過阻燃處理木粉中來自于芳香族苯環(huán)骨架中的共軛基C=C在1 590 cm-1處吸收帶加強(qiáng)，來自于芳香族醛，酮的C=O減弱；而這種變化在未經(jīng)阻燃處理的木粉紅外光譜圖上則沒有體現(xiàn)。這表明與未經(jīng)阻燃處理的木粉相比，阻燃處理木粉中C=O化合物受熱失水變?yōu)镃=C鍵的過程更加明顯；也說明阻燃處理木粉中含C=C的化合物生成速度快，熱降解時間縮短，成炭率高，且阻燃處理木粉糖類降解完成速度快于未經(jīng)阻燃處理的木粉。

上述試驗結(jié)果表明，要實現(xiàn)阻燃效果，木材可以通過阻燃化學(xué)試劑浸漬處理，使熱分解、熱降解過程得以改變，從而在燃燒炭化的各個層次中均形成了更多的炭質(zhì)物質(zhì)，使其成炭率變得更高，有效地降低燃燒過程中的熱釋放，從而抑制燃燒。

3 結(jié)論

通過對阻燃處理前后的木粉進(jìn)行不同溫度條件下的熱處理，并利用紅外光譜技術(shù)對其進(jìn)行檢測分析，結(jié)果表明阻燃處理前后木粉的紅外光譜圖不同，隨著熱處理溫度的升高兩者的紅外光譜圖變化趨勢也不同。

(1)阻燃處理后，阻燃劑中銨基的N-H伸縮振動使木粉在波數(shù)3 100～3 600 cm-1處變化明顯，吸收峰增強(qiáng)，說明(NH4)2HPO3中的N-H與木粉纖維內(nèi)游離羥基的物理化學(xué)作用已經(jīng)發(fā)生；1 500～1 750 cm-1這段波數(shù)的吸收峰減弱，說明阻燃處理后去除了木粉表面的脂肪酸等抽提物。

(2)從吸收峰對應(yīng)化學(xué)基團(tuán)的微觀角度分析可知，與未經(jīng)阻燃處理的木粉相比，阻燃處理木粉熱降解時間縮短，成炭率提高，糖類降解完成速度也有所加快。

[1] 劉燕吉.木質(zhì)材料燃燒性能檢測方法及有關(guān)法規(guī)[J].木材工業(yè)，1997(3)：33-36.

[2] 駱介禹.木材阻燃的概況[J].林產(chǎn)工業(yè)，2000，27(2)：7-9.

[3] 王惠蕓，曹平祥，王俊，等.阻燃重組木的研究分析[J].森林工程，2016，32(3)：48-52.

[4] 類成帥，沈雋，王高超.阻燃楊木膠合板揮發(fā)性有機(jī)化合物釋放研究[J].森林工程，2014，30(2)：43-47.

[5] 郭強(qiáng)，馬巖，吳哲，等.木材激光燒蝕設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015，43(2)：18-21.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Analysis and Application of Infrared Spectrum Technology in theThermal Decomposition Process of Flame-retardant Wood

WANG Hao-ming

(Suzhou center of Product Quality Supervision and Inspection，Suzhou Jiangsu 215133，China)

Infrared spectrum technology is used to analyze the changes before and after wood fire-retardant treatment and the changes in wood chemical groups under thermal treatment conditions at different temperatures.

infrared spectrum；thermal treatment；wood fire-retardant；functional group

2016-09-14

汪浩明(1981-)，男，工程師，碩士，主要從事家具及人造板方面的檢測和研究，E-mail：wanghaoming_1981@126.com。

TS612

A

2095-2953(2017)01-0026-03