桉木单板阻燃改性浸渍工艺优化研究

王 勇， 邓腊云， 李志高， 康 地， 范友华

(湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004)

随着森林资源的减少和世界各国对自然资源保护的日益重视，人工林木材的高值化应用越来越受到科研人员和市场的关注[1-2]。人造板作为应用最广泛的室内装饰装修木质材料，其阻燃性能对其高值化应用以及规模化推广具有极其重要的作用[3-4]。桉木单板作为多层胶合板和细木工板中广泛应用的单板[5-6]，其阻燃性能的研究具有重要意义。本研究以桉木单板为实验材料，采用水性复合阻燃剂，通过真空-加压浸渍改性法对其进行阻燃改性处理。运用响应面法优化热压工艺条件，建立浸渍工艺与单板极限氧指数(LOI)之间的数学模型，获得最优的浸渍工艺参数，在最优工艺条件下对桉木单板进行处理，为桉木单板的阻燃处理和高值化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和设备

(1)实验材料。桉木单板购自湖南省福森竹木科技有限公司，其规格为200mm×200mm×6mm(长×宽×厚)，初含水率8%～13%；聚磷酸铵(APP)和聚乙烯醇(PVA)均为分析纯。

(2)实验设备。鼓风干燥箱(天津泰斯特WGL-30B)、恒温恒湿箱(山东风途FT-SR50)、竹木真空-加压改性罐等。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程

(1)改性剂的配制。称量100g蒸馏水，升温至95℃后，加入1%的聚乙烯醇(PVA)保温30min至PVA完全溶解。待降至室温后，加入5%的聚磷酸铵(APP)，搅拌60min至APP完全溶解，得到水性复合阻燃剂。

(2)真空-加压浸渍处理工艺。将待处理的桉木单板在鼓风干燥箱中烘至绝干状态，放入改性罐中，密封罐体，测试气密性。打开真空泵，将罐体内真空度抽至-0.089MPa后，保持一定时间。利用罐内负压将改性剂抽入罐体，通过增压设备将罐体内压力增至设定值，保压一定时间，卸压出料。板材在室温条件下陈放24h后，置于鼓风干燥箱中将含水率控制在6%～10%之间，得到阻燃改性处理桉木单板。

(3)氧指数分析。测试方法按照国家标准GB/T2406.2-2009[7]规定的方法进行。

1.2.2 浸渍工艺参数的确定 通过浸渍改性将改性剂浸注入木材内部，对木材进行功能化改性。改性剂进入木材内部的剂量直接影响改性处理材的性能。影响改性剂进入木材的主要因素主要有改性剂种类、改性剂浓度、真空时间、浸渍压力和浸渍时间。改性剂的种类一般分为水性、油性和悬浮液。水性改性剂由于其良好的水溶性，能更迅速地进入木材内部，固着于细胞壁中。因此，本实验选择水性复合改性剂作为阻燃剂。真空时间越长，木材内部的空气抽出也越充分，在加入改性剂后，改性剂进入木材内部细胞空腔的量也相对越大，但是真空时间影响实际生产成本，因而需要优选合适的真空时间对木材进行前处理。浸渍压力对改性剂进入木材有重要影响，压力越大，改性剂溶液与木材的内外压差越大，进入木材的改性剂的量也相对越大，但是过高的压力会对木材造成物理损伤，影响改性效果。浸渍时间对改性剂的进入量也有重要影响，时间越长，木材增重也越大，效果也越好。但是浸渍时间影响处理效率，时间过长严重影响处理效率，造成改性成本上升。因而在前期探索性试验的基础上[8-9]，本研究主要选定真空时间、浸渍压力和浸渍时间共3个因素对桉木单板改性的影响实验。首先开展3个因素的单因素影响实验，初步筛选较优区间水平，再根据筛选的较优区间范围进行响应面实验优化设计，获得最优浸渍工艺参数。结合前人的研究[10-12]，在单因素实验设计中，真空时间区间设定为10～50min，浸渍压力和浸渍时间分别固定为0.8MPa和60min；浸渍压力单因素实验中，压力区间设定为0.4～1.2MPa，真空时间和浸渍时间分别固定为20min和60min；浸渍时间单因素实验中，时间区间设定为20～100min，真空时间和浸渍压力分别固定为20min和0.8MPa。每个因素各设置5个水平。

桉木单板改性前后的极限氧指数按照国家标准GB/T2406.2-2009[7]规定的方法进行检测。根据真空时间、浸渍压力和浸渍时间条件对试件极限氧指数的主次因素，以+1、0、-1分别代表高、中、低水平，各实验因素水平与编码见表1。采用BBD实验设计原理，以极限氧指数为响应值，利用Design-Expert10.0.2软件设计3因素3水平的响应面分析实验。共设17个实验点，通过对实验结果的分析，建立二次多项式数学模型，得到最优浸渍工艺条件及其对应的预测极限氧指数。

表1 实验因素水平和编码Tab.1 The response surface of level and factors因素水平-10+1X1(真空时间)/min20.030.040.0X2(浸渍压力)/MPa0.60.81.0X3(浸渍时间)/min40.060.080.0

1.3 预测浸渍工艺的验证

为了验证通过响应面曲线优化得出的最优工艺条件及其预测最优值的准确性和可靠性，在最优工艺条件下进行6次平行验证实验，获得验证实验结果，与预测值进行对比分析，验证响应面优化模型的精确度和可靠性。

1.4 扫描电镜(SEM)

改性剂在改性处理桉木单板细胞内的分布采用扫描电镜进行分析。扫描电镜型号为东芝TM3000型，扫描电压为5kV。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

图1为真空时间对改性处理桉木单板极限氧指数的影响。从图1中可以看出，随着真空时间的增加，桉木单板极限氧指数不断提高，但当真空时间达到40min时，随着时间的进一步增加，其极限氧指数提高不明显。这可能是当真空时间达到一定值时，木材内部空腔中的空气已基本通过真空抽尽，达到了稳定状态，即使时间进一步增加，对改性效果无明显提升。因此，可以得到真空时间的较优区间范围为20～40min。

图2为浸渍压力对改性处理桉木单板极限氧指数的影响。从图2中可以看出，随着浸渍压力的不断增加，桉木单板的极限氧指数也不断提高。这是因为浸渍压力对改性剂进入木材内部有直接影响，在浸渍过程中通过木材的内外压差，改性剂被浸注到木材内部，内外压差越大，改性剂越容易进入木材内部。但是浸渍压力过大，容易对木材造成损伤，形成压溃，对桉木单板后续应用有不利影响。综合考虑改性处理工艺的成本和处理效果，选取0.6～1.0MPa为响应面优化法的优化区间。

图3为浸渍时间对改性处理桉木单板极限氧指数的影响。从图3中可以看出，随着浸渍时间的增加，桉木单板的极限氧指数也不断增加。这可能是由于改性剂为水性的，在同等条件下，改性剂通过加压进入木材细胞腔后，随着浸渍时间的增加，改性剂浸润细胞壁，并进入细胞壁内部，使得改性剂固着量更大，从而使桉木单板的极限氧指数更高。综合考虑改性处理成本和处理效果，浸渍时间的较优区间范围选为40～ 80 min。

基于真空时间、浸渍压力和浸渍时间的单因素实验结果，综合考虑浸渍工艺的经济性和可行性，在真空时间、浸渍压力和浸渍时间分别介于20～40min、0.6～1.0MPa、40 ～ 80min之间时，改性桉木单板极限氧指数较优，并将此区间范围应用于响应面优化实验设计。

2.2 响应面实验

响应面BBD设计实验结果见表2。对表2优化实验结果进一步进行方差分析，结果见表3。由表3方差分析结果可知：X2、X3对改性桉木单板极限氧指数的影响均达极显著，说明在热压过程中，浸渍压力、浸渍时间是浸渍处理过程中影响改性桉木单板极限氧指数的重要控制因素；其它因素及其交互效应的影响不显著。

表2 响应面实验结果Tab.2 The experiment results of response surface实验号真空时间(X1)/ min浸渍时间(X2)/ min浸渍压力(X3)/MPa极限氧指数(Y)/%120601.028.5240600.627.1320800.828.4430600.827.9530600.828.1630600.827.8730400.624.8830600.827.4930801.029.51030401.028.91130600.827.71240800.828.81340400.826.51440601.029.21530800.627.61620600.626.31720400.826.2

表3 响应面实验结果的方差分析Tab.3 The variance analysis of results of response surface方差来源平方和自由度均方F值P值显著性模型23.1492.57020.9100.000 3**X10.6110.6104.9200.062 0X213.26113.260107.880< 0.000 1**X37.80017.80063.460< 0.000 1**X1X2 2.5×10-31 2.5×10-30.0200.890 6X1X3 2.5×10-31 2.5×10-30.0200.890 6X2X31.21011.2109.8400.016 4X210.05610.0560.4500.522 5X220.05110.0510.4100.540 2X230.15010.1501.2400.302 9残差0.86070.120失拟项0.59030.2002.9500.161 7R20.964 1 注:**表示统计结果极显著(P<0.01)。

从表3中还可以看出：对桉木单板的极限氧指数影响的主次顺序依次是浸渍压力、浸渍时间、真空时间。失拟项体现的是真实实验数据与模型预测数据不符的情况，失拟项显著说明真实数据与模型预测数据不符合情况达到显著水平，显示模型拟合度差；失拟项不显著则说明真实数据与模型预测数据符合情况处于不显著水平，显示模型拟合度好[13-15]。失拟项的P值为0.1617，没有显著性意义，说明数据中没有显著的异常数值，模型可靠。所建立模型的R2值为0.9641，说明模型方程可解释96.41%的实验所得改性桉木单板极限氧指数的变化，也显示了二次回归方程拟合性良好，进一步验证了模型可靠。

通过利用Design-Expert 10.0.2软件对实验数据进行极性二次回归分析，3个因素经过多项式拟合得到响应值极限氧指数的二次回归方程：

Y=27.78+0.28X1+1.29X2+0.99X3-

0.025X1X2+0.025X1X3-0.55X2X3-

2.3 改性桉木单板极限氧指数的主要因素间交互作用的响应面

根据响应面优化模型对数据进行拟合处理并绘制得到改性桉木单板极限氧指数的三维响应面和等高线图(图4)。三维响应面图是响应值改性处理的极限氧指数与各因素构成的交互影响图，每个小图均对应2个不同因素之间的交互作用响应面图，而另外2个因素固定在零水平位置。图4反应了各个因素对响应值极限氧指数的影响是否显著，以及各因素对响应值极限氧指数的影响规律。从图4中可以看出，浸渍压力和浸渍时间的响应面图形相对最陡，说明浸渍压力与浸渍时间对改性桉木单板极限氧指数的交互作用显著。这与上文的方差分析结果相互印证。由于真空时间对改性桉木单板极限氧指数的影响不显著，因而，在其与浸渍时间和浸渍压力的交互作用中，起主要影响作用的为浸渍时间和浸渍压力，对应的三维响应面图形相对平缓。在方差分析中，与其对应X1X2和X2X3的p值统计结果均显示为不显著。这也与响应面曲线形态相互呼应。

通过对极限氧指数拟合方程的求解，得到极限氧指数的预测值为29.525%，此时真空时间、浸渍压力和浸渍时间分别为35.412min、0.998MPa、79.093min。根据预测的最优工艺参数，综合考虑操作可行性及经济性，对预测最优浸渍工艺条件取整数值得到真空时间、浸渍压力和浸渍时间分别为35 min、0.9MPa、79min。在此工艺条件下对桉木单板进行阻燃改性浸渍处理，重复6次，对改性桉木单板极限氧指数进行检测分析，验证响应面预测模型的准确性和可行性。通过验证实验可知，6次重复实验的极限氧指数实测平均值为28.2%，误差率为4.49%，在合理范围内，进一步验证了响应面优化模型预测的最优浸渍工艺准确可靠，且可行性高。

2.4 SEM分析

图5为桉木单板在最优浸渍工艺条件下改性前后扫描电镜图。从图中可以看出，改性处理材空腔内部填充了大量规则的颗粒，这些颗粒是聚磷酸铵干燥后形成的结晶颗粒，这些晶体填充和固着在木材细胞腔内和细胞壁上，能赋予木材高的阻燃性能。通过SEM分析也进一步验证了响应面优化法预测的最优工艺条件的可行性和可靠性。

3 结论与讨论

(1)在桉木单板阻燃改性浸渍工艺中，浸渍压力、浸渍时间是浸渍处理过程中影响改性处理材极限氧指数的重要的控制因素，两者对改性处理材极限氧指数的影响均达极显著，其它因素及其交互效应的影响不显著。

(2)通过建立改性桉木单板极限氧指数与真空时间、浸渍压力和浸渍时间之间的二次多元回归模型，获得最优浸渍工艺条件为：真空时间39min，浸渍压力0.9MPa，浸渍时间79min。

(3)通过平行验证实验，在预测的最优浸渍工艺条件下，获得改性桉木单板极限氧指数平均值为28.2%，误差率为4.49%，在合理范围内，说明模型准确可靠。

(4)通过扫描电镜分析，桉木单板细胞腔内部被改性剂填充，显示在最优浸渍工艺条件下，改性剂已充分进入木材内部，并固着在木材细胞壁上。