全 文 ：APP硅化泡桐木的制备及其燃烧特性研究
胡云楚 1，冯斯宇 1，田梁才 1，黄自知 1，袁利萍 2，吴义强 2
(1中南林业科技大学理学院， 湖南长沙 410004；2中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙
410004)

摘要：APP 的高效阻燃特性与硅凝胶的吸附和催化转化特性的有效结合，有可能实现木材在火灾条件下的
不燃烧、不冒烟。通过真空-加压浸注和真空干燥法制备的 APP硅化泡桐木载药率达到 20.2%，在锥形
量热实验过程中没有点燃，760℃高温灼烧下不燃烧，总热释放量稍高于 APP 阻燃泡桐木，总烟释放
量和一氧化碳产量远远低于未处理泡桐木和 APP 阻燃泡桐木。表明，APP 硅化泡桐木中原位生成的
APP-硅凝胶体系不仅对木材具有很好的阻燃作用，而且对火灾烟雾毒气具有极好的转化和抑制作用。
关键词：聚磷酸铵；硅凝胶；阻燃抑烟；无烟不燃；锥形量热
中图分类号：TQ35 文献标识码： 文章编号：
Preparation and combustion performance of paulownia wood
treated with APP/Silica gel
HU Yun-chu1*, FENG Si-yu1, TIAN Liang-cai1, HUANG Zi-zhi1, YUAN Li-ping2, WU Yi-qiang2
(1. College of science, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;
2. College of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology,
Changsha 410004, China)
Abstract: The combination of APP and silica gel is considered as efficient flame retardance
and smoke-suppresser for wooden materials due to their excellent adsorption and
catalytisis properties. The treated paulownia wood by APP/ silica gel had a drug loading
of 20.2% when using vacuum-pressure impregnation followed with vacuum drying. The
as-prepared wood were not able to got lighted during CONE test, and didn’t show
obvious combustion even burned at 760 oC. It was further detected the total heat release
for treated paulownia wood was slightly higher than that treated by APP solely. However,
the total smoke production and CO yield of treated paulownia wood were significantly
reduced. The result indicated that, combination of APP and silica gel generated in
paulownia wood both contributed to excellent flame retardance, and to inhibition and
conversion of smoke in fire.
Keywords: APP; Silica gel; flame retardancy and smoke suppression; smokeless and non-
combustible; cone calorimeter

木质材料是住宅中的主要可燃物，在火灾荷载热值中占比超过 50%，许多火灾的发生
和蔓延都与木质材料有关。因此，木质材料的阻燃防火是关系到人民生命财产安全的重要问
题[1-5]。聚磷酸铵（APP）是目前广泛使用的最有效、最廉价、最实用的阻燃剂。研究表明，

收稿日期：2016‐6‐26                         修订日期：2016‐11‐6 
基金项目：国家自然科学基金资助项目(31670563;31170521) 
通讯作者：胡云楚(1960—)，男，湖南湘潭人，中南林业科技大学教授，博士生导师，博士。Email：hucsfu@163.com 
 
网络出版时间：2016-12-22 15:31:14
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/31.1764.TU.20161222.1531.042.html
APP 阻燃处理后木材的热释放速率峰值和总热释放量降低 70%以上，能够有效地抑制火焰
传播和蔓延。然而，高聚合度 APP 难溶于水，也不便用于实木阻燃；低聚合度 APP（n 为
10～20）易溶于水便于实木浸注处理，但水溶性 APP 处理的木材存在吸潮、淋失等问题，
影响材料的使用性能；采用 APP阻燃处理的材料，在燃烧时产生的烟气浓度高，毒性大[6-8]。
硅凝胶具有高粘性和不溶性，将其用于 APP阻燃剂的包覆，可以避免 APP的吸潮和淋失；
低密度多孔性的硅凝胶具有吸附催化作用和隔热作用，可以抑制木材燃烧、降低烟气毒性
[8-14]。
泡桐纹理通直、结构均匀，不易虫蛀耐腐朽、耐磨损，不挠不裂，在建筑上是作为门、
窗和房间隔板的优良木材。泡桐木还具绢丝光亮、优美、细腻的纹理，易雕刻、易染色等优
点，是制造人造板、高档家具和乐器的理想材料。特别是泡桐木材密度低、导热系数小、干
缩小，具有流体可渗透及可扩散的路径[15]，也是制造木质阻燃防火门的理想材料。
本文以泡桐木为研究对象，探索真空-加压浸注和真空干燥法在实木中原位形成 APP-
硅凝胶体系的工艺技术方法，采用锥形量热法研究这种 APP-硅凝胶体系的 APP硅化泡桐木
的无烟不燃特性，为实木阻燃提供科学依据。
1材料与方法
1.1材料与设备
泡桐木板：12 年生泡桐木，规格 500mm×250mm×25mm，基本密度 0.32 g/cm3，产地
湖北咸宁，湖北锦睿木业有限公司提供。
化学试剂：正硅酸乙酯（国药集团化学试剂有限公司），水溶性聚磷酸铵（APP100，
工业级，长丰化工有限公司），乙醇、盐酸、氢氟酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。
仪器设备：木材真空-加压浸注罐（ZM-Z201126-1，上海）、冷冻干燥机（SCIENTZ-50F，
浙江）、锥形量热仪（Stanton Redcroft Inc，英国 FTT公司）。
1.2 APP硅化木浸注液的配制
30%APP溶液的配制：称取 30份水溶性 APP、70份水，搅拌溶解。
APP硅化木浸注液的配制：称取 52份正硅酸乙酯（TEOS）、42份乙醇、18份水，搅
拌形成共溶体系，784份 30%APP溶液，加入 3份 HCl-HF(120mL36w%浓盐酸加 100 mL40
w%氢氟酸)复合催化剂，混合均匀。
1.3 APP硅化泡桐木的制备
将泡桐试材装入木材真空-加压浸注罐中，用钢条将木材压住，注入 APP硅化木浸注液
至完全浸没试材；抽真空并保持 30min；加压并保压一段时间；后真空处理 15min；卸罐取
出试样， 30-40℃密封养护 24 h，然后擦洗表面后，放入-30℃冷冻干燥箱，低于 10kPa压
力下真空干燥 48 h。获得 APP硅化泡桐木（W-APP/Si）。
同上工艺条件下采用 30%APP 溶液代替 APP 硅化木浸注液，作为对照，进行浸注处
理，即得 APP阻燃泡桐木（W-APP）。
80℃烘箱中干燥 24 h，称量木材试样重量W1，计算载药率。
木材载药率的计算公式：
R = (W1-W0)/W0
式中：W0表示浸注前木材的绝干重量，W1表示浸注处理后木材的绝干重量。
1.4 APP硅化泡桐木燃烧特性测定
将浸注处理的泡桐木板锯解成 100mm×100mm×10mm 的锥形量热试样，参照
ISO5660-1-2002：热释放速率（锥形量热法）标准[16]，用铝箔纸包裹后将其放入锥形量热仪
不锈钢样品架中，用刀片割去多余铝箔纸露出加热面。将试样架置于锥形量热仪辐射锥下，
辐射强度为水平样品垂直方向上 50 kW/m2（材料表面温度约为 760℃），电弧点燃，计算机
以 ASCⅡ码格式每 5s自动采集数据 1次，采用Microsoft Excel进行数据处理。平行实验 3
次，求得各个燃烧参数[2,4,7]。
2 结果与分析
2.1 浸注压力和保压时间对载药率的影响
在系统考察了 APP/TEOS配比、催化剂用量、温度对 APP硅化木浸注液的储存稳定性、
以及木材种类和密度对载药率的影响规律基础上，实验测定了不同浸注压力和保压时间对
APP硅化木浸注液在泡桐木中的载药率，实验结果如图 1所示。
0 2 4 6 8 10
0
5
10
15
20
25 0.50MPa
0.25MPa
Ordinary
R/
%
t/h

图 1 浸注压力和时间对泡桐木载药率的影响
Fig.1 Effect of impregnation pressure and time on drug-loading rate of paulownia wood
由图 1 可见，在压力不变的情况下，载药率曲线随时间的增加而上升，在 1~3 h 内载
药率增加最快，随后增加速度变缓，7 h后载药率增加很少。另一方面，在浸注时间相同的
情况下，随浸注压力的增加，载药率明显增大。泡桐木材试样在常压、0.25 MPa、0.50 MPa
三种压力下浸注 7 h后的载药率达到 5.6%、15.3%、20.2%。因此，通过调节浸注压力和浸
注时间可以对木材载药率进行调控[11,12]。
表 1 正交试验设计及结果直观分析表
Table 1 Orthogonal experimental design and result analysis table
试验号
因素
载药率（%）
保压时间（h） 浸注压力（MPa）
1 3 0 4
2 3 0.25 11
3 3 0.5 16.2
4 5 0 5
5 5 0.25 14
6 5 0.5 19
7 7 0 5.6
8 7 0.25 15
9 7 0.5 20.2
均值 1 10.400 4.867
均值 2 12.667 13.333
均值 3 13.600 18.467
极差 3.200 13.600

由表 1可以看出，随关浸渍压力的增大和保压时间的延长，载药率逐渐增大。由极差值
可知，浸注压力比保压时间对浸注木材载药率的影响更显著。因此，为获得较大的载药率，
从表 1得出较优工艺条件为：浸注压力 0.5MPa，保压时间 7h。通过验证性实验得到浸注木
材的载药率为 20.3%。
2.2 APP硅化木的热释放速特性
以泡桐木素材（W）和 APP阻燃泡桐木（W-APP，载药率 21.4%）作为研究对照。采
用锥形量热仪实验测定了 APP 硅化泡桐木（W-APP/Si，载药率 20.2%）的燃烧特性和烟气
释放特性。APP阻燃泡桐木和 APP硅化泡桐木的热释放速率（HRR）曲线列于图 2。
0 50 100 150 200 250 300
0
50
100
150
200
250 W
W-APP
W-APP/Si
H
R
R
(k
W
/m
2 )
Time /s

图 2 APP阻燃泡桐木和 APP硅化泡桐木的 HRR曲线
Fig.2 HRR curves of APP treated paulownia wood and APP/ silica gel paulownia wood
由图 2可以看出，未经阻燃浸注处理泡桐木试样（W）的热释放速率曲线呈明显的“M”
峰型，在 20s出现第一个热释放速率峰（233.1 kW/m2），200s出现第二个热释放速率峰（166.8
kW/m2），且整体曲线远远高于 APP阻燃泡桐木和 APP硅化泡桐木试样的热释放速率曲线。
这表明，未处理泡桐木热释放速率很大，燃烧充分旺盛。
APP阻燃泡桐木和 APP硅化泡桐木（W-APP/Si）试样在锥形量热实验过程中都没有被
点燃，在 760℃高温灼烧下表面被炭化变黑，但没有出现燃烧火焰，HRR曲线没有呈现出明
显的“M”状尖峰，热释放速率很小。这些现象说明，APP 阻燃泡桐木和 APP 硅化木的阻燃
性能极好，在锥形量热仪中 760℃高温灼烧下不燃烧。
同时，锥形量热实验测得，未处理泡桐木的总热释放量（THR）为 30.5 kW/m2；APP
阻燃泡桐木的 THR为 2.9 kW/m2，相对降低了 90.5%；APP硅化泡桐木的 THR为 3.9 kW/m2，
相对降低了 87.2%。从总热释放量 THR这方面来看，APP阻燃泡桐木的阻燃效果略优于 APP
硅化泡桐木的阻燃效果。
APP 在高温下分解产生的聚磷酸能够有效催化木材脱水形成大量的木炭，而且粘稠的
聚磷酸使木材表面的炭层结构致密，对内部的木材具有极好的隔热隔氧和保护作用，同时，
APP分解在高温下产生的 PO·自由基和不燃性氨气，能够捕捉链式燃烧反应中的 H·、·OH活
性自由基，具有气相阻燃作用[7]。
2.3 APP硅化木的烟释放特性
0 50 100 150 200 250 300
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025 W
W-APP
W-APP/Si
SP
R
(m
2 /
s)
Time/s

图 3 APP阻燃泡桐木和 APP硅化泡桐木的 SPR曲线
Fig.3 SPR curves of APP treated paulownia wood and APP/ silica gel paulownia wood
锥形量热仪实验获得的 APP阻燃泡桐木和 APP硅化泡桐木的烟释放速率（SPR）曲线
列于图 3。由图 3可以看出，未处理泡桐木的烟释放速率曲线出现两个烟释放速率尖峰，烟
释放速率很大；APP 阻燃泡桐木在 25 s 左右的烟释放速率达到最大，之后慢慢下降。APP
硅化泡桐木的烟释放速率进一步降低，APP 硅化泡桐木的 SPR 曲线始终处在最低的水平。
同时，锥形量热实验测得，未处理泡桐木的总烟释放量（TSP）为 2.15 m2，APP 阻燃泡桐
木的 TSP为 1.79 m2，相对W而言降低了 16.7%；APP硅化泡桐木的 TSP为 0.75 m2，相对
W 降低 65.1%，相对 W-APP 也降低了 58.1%。这说明 APP 硅化泡桐木中原位生成的 APP/
硅凝胶复合物具有良好的抑烟效果。
APP 在高温下分解产生的聚磷酸为粘稠液体，能够将炭粒粘结为结构紧密的炭层，而
不是形成粉末状的炭尘；同时，APP 硅化泡桐木中的硅凝胶，还能够进一步吸附炭粒。因
此，在聚磷酸和硅凝胶的共同作用下，烟尘大幅度减少[7,8]。
2.4 APP硅化木的毒气释放特性
锥形量热仪实验获得的 APP阻燃泡桐木和 APP硅化泡桐木的 CO产生速率（COP）曲
线列于图 4。
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0
0 .0 0 0
0 .0 0 1
0 .0 0 2
0 .0 0 3
0 .0 0 4
0 .0 0 5
W
W -A P P
W -A P P /S i
CO
P
(g
/s)
T im e /s

图 4 APP阻燃泡桐木和 APP硅化泡桐木的 COP曲线
Fig.4 COP curves of APP treated paulownia wood and APP/ silica gel paulownia wood
由图 4可见，尽管 APP阻燃泡桐木在锥形量热实验过程中处于熄灭状态，但 APP阻燃
泡桐木的 COP曲线在 25s时迅速上升，且高于未阻燃处理泡桐木的 COP曲线。这表明，木
材经 APP 阻燃处理以后，在火灾环境下以 CO 为代表的不完全氧化的毒性气体的释放量大
幅度增加，对于火灾现场的人员将带来中毒窒息的致命威胁[6-10]。APP分解在高温下产生的
PO·自由基和不燃性氨气，能够捕捉链式燃烧反应中的 H·、·OH 活性自由基，中断气相燃烧
反应，导致木材高温分解产物不能够完全氧化燃烧[7]。
APP硅化泡桐木的 COP曲线则一直处于较低水平，没有出现明显的 CO产生速率峰，
而且远远低于 APP阻燃泡桐木的 COP曲线。
同时，锥形量热实验测得，未处理泡桐木的 CO平均产量（COY）为 0.0442kg/kg；APP
阻燃泡桐木的 COY为 0.1495kg/kg，相对W增加了 3.38倍；而 APP硅化泡桐木的 COY为
0.0141kg/kg，相对W降低 68.1%，APP硅化泡桐木的 COY小于W-APP的 1/10。这说明 APP
硅化泡桐木中原位生成的硅凝胶对木材火灾毒气具有极好的转化抑制作用。
APP 硅化泡桐木中的硅凝胶以及聚磷酸铵作用下的炭层，能够有效吸附甚至催化转化
木材在高温作用下产生的以一氧化碳为代表的不完全燃烧产物[7,8]。因此，木材经过 APP硅
化处理以后，可以实现在 760℃高温灼烧下不会燃烧，同时，烟雾和毒气释放量大幅度减少。
3 结论
APP硅化泡桐木的制备工艺为：52份正硅酸乙酯、42份乙醇、18份水，784份 30%APP
溶液，3份 HCl-HF催化剂；在木材真空-加压浸注罐中，抽真空并 30min；0.50MPa压力下
保压 7h，后真空处理 15min，卸罐后密封养护 24 h，-30℃冷冻真空干燥 48 h，载药率可达
到 20.2%。
APP阻燃泡桐木和 APP硅化泡桐木试样在锥形量热实验过程中都没有点燃，说明载药
率 20%左右APP阻燃泡桐木和APP硅化泡桐木具有极好的阻燃效果，在锥形量热仪中 760℃
高温灼烧下不会燃烧。从总热释放量 THR这方面来看，APP阻燃泡桐木的阻燃效果略优于
APP硅化泡桐木的阻燃效果。
APP硅化泡桐木的 TSP为 0.75 m2，相对W降低 65.1%，相对W-APP也降低了 58.1%。
APP阻燃泡桐木的 COY为 0.1495kg/kg，相对于W增加了 3.38倍；APP硅化泡桐木的 COY
为 0.0141kg/kg，相对W降低 68.1%，APP硅化泡桐木的 COY不到W-APP的 1/10。这表明，
一方面 APP阻燃泡桐木的烟气毒性比较大，另一方面 APP硅化泡桐木中原位生成的硅凝胶
对木材火灾烟气具有极好的转化和抑制作用。
APP 阻燃泡桐木中的硅凝胶以及聚磷酸铵作用下的炭层，能够有效保护内部木材，使
其在高温下少分解、不燃烧，同时还能够吸附甚至催化转化木材在高温作用下产生烟雾和毒
气。
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