Furniture 2021 Vol.42 No. 2
赵霏越，富艳春*
(南京林业大学家居与.T.业设计学院，南京210037)
摘要：通过采用层层自组装方法在木材表面负栽了壳聚糖/植酸钠/纳米M gO复合涂层，并设置了以复合涂层层数 为变量的多组试验，探讨了复合涂层对木材表面阻燃性能的影响通过对试样进行SEM、XKD测试，证实层层组装 处理后的木材试样表面成功负栽了壳聚糖/植酸钠/纳米MgO膜层LOI测试结果显示，复合涂层组装层数的增多对 木材防火性能的提高有积极作用本试验中的改良效果最佳参教为：每层组装削浸渍时间为90 min，循环组装层数 为10层，各组装削浓度均为丨°/。，搭配体积比例为I：丨：I 关键词：木材；壳聚糖•，植酸钠；纳米I V1S0；层层自组装；阻燃改性
中图分类号:TS664 文献标志码:A文章编号：1000-4629(2021)02-0048-04
Effect of Assembly Layers of Chitosan/Sodium Phytate/Nano-MgO
Composite Coating on Wood Flame Retardancy
ZHAO Feiyue,FU Yanchun *
(College of Furnishings and Industrial Design,Nanjing Forestry University,Nanjing21(X)37,China)
Abstract ： Chitosan/sodium phytate/nano-MgO composite coating was applied on the wood surface by layer by layer self-assembly method, and the effects of the cornjjosite coating layer number on the wood surface flame retardancy were investigated. Through SEM and X R D,it was confirmed that chitosan/sodium phytate/nano-MgO film was succ*essfully loaded on the surface of wood sample after layer by layer assembly. LOI test results showed that the increase of the number of layers of composite coating had a positive effect on the improvement of wood fire resistance. In this experiment, the optimum parameters of the improved effect were as follows： the impregnation time of each layer of asseml)ly agent was 90 minutes, the number of cyclic assembly layers was 10 layers, the concentration of each assembly agent was l%,and the matching volume ratio was 1: 1: 1.
Key w ords：wood; flame retardant modification; chitosan; sodium phytate; nano-MgO; layer by layer self-assembly; assembly layer number
木材是一种复杂的多孔性天然高分子材料，主 要由半纤维素、纤维素和木质素构成因其物美价廉、生物学和环境学特性优异，被广泛应用于家 具制造和建筑装修等领域i q。但木材属于易燃材 料〜111，使用过程中存在较大的火灾风险性，在保留 木材原有优良特性的前提下提高木材阻燃性，通常 选择添加阻燃剂的方式对其进行阻燃处理i im\随 着社会的发展，人们对木材阻燃剂的要求已从最初 只关注阻燃本身，转为同时考虑环境特性、附加特性和经济学特性等多方面因素综合发展。
在较长一段时期内.含磷、氮、硼元素的复合无 机阻燃体系是木材阻燃剂使用的主流[|4〜]。其原理 在于燃烧过程中阻燃剂分解产生脱水剂，使木材直 接脱水炭化，形成致密的炭层，从而使得木材与热 源和氧气隔离开来，燃烧停止然而，传统膨胀阻 燃涂层有着阻燃效率较低、耐候性较差等缺点1171，有 待改进。有研究表明，金属氧化物可以通过减少左 旋葡萄糖和易燃挥发物的生成增加焦炭、水和K他
基金项H••苏北科技令项(SZ-SQ20丨7014)
作者简介：赵霏越（1999一），女，本科生，研究方向为家具设计与制造E-m ail:893931080@qq
通信作者：富艳春（1987—)，女，讲师，研究方內为木质表面功能性改良,E-m ail：丨ra(.y_528@l26
引文格式：赵茄越，富艳舂.壳聚糖/植酸钠/纳米MgO复合涂层的组装层数对木材附燃性能的影响|J丨.家具，202丨，42(2):48-5丨. 048 Furniture
低分子量化合物的生成，从而影响纤维的热解行 为，与膨胀型阻燃剂形成协效作用，是改善膨胀阻 燃体系性能的重要途径#2°]。通过采用层层自组装 技术在木材表面负载不同层数的壳聚糖/植酸钠/纳 米MgO复合涂层，同时控制其他试验条件保持一 致，探究组装膜层数对木材阻燃性能的影响。
1材料与方法
1.1试验原料
巴沙木板材（中林万森木业）、植酸钠粉末(合肥 巴斯夫生物科技有限公司）、壳聚糖(> 200 mPa-s，上 海麦克林生化科技有限公司）；纳米MgO颗粒 (50 nm，上海麦克林生化科技公司）；盐酸（南京化 学试剂有限公司）；本次试验中所有溶液配备均使 用自制蒸馏水。
主要仪器有：电子天秤(上海良平仪器仪表有限 公司）；磁力搅拌器(CJ78-1，常州市金坛大地自动化 仪器厂）；电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9423A，上海 精宏实验设备有限公司）；电子显微镜平台(JEM 1400-PLUS，日本技术株式会社）；临界氧指数分析 仪(PX-01-005，苏州菲尼克斯仪器有限公司)等。1.2试验方法
1.2.1木材预处理及溶液制备
将巴沙木制成尺寸为120 mm x1〇〇mm x 40 mm的试样，用于后续的涂层改性试验和表征检 测，表征手段有扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射 仪(XRD)、极限氧指数(LOI)等。首先，使用蒸馏水 清洗所有试样，去除试样表面杂质，并将其统一放 人烘箱中，以60 °C干燥1h，确保试样完全烘干达到 干燥状态，取出后对试样进行分组编号。同时，留出一组未经壳聚糖/植酸钠/纳米MgO复合涂层涂布 处理的试样作为空白对照试验。完成上述步骤后 将试样放于真空袋中备用。
称取1g壳聚糖溶于100 m L蒸饱水中，在磁力 搅拌器上搅拌均匀，并用稀盐酸调节溶液pH为2〜3，配置浓度为1%的聚阳离子电解质溶液；采用相 同方法配制植酸钠聚阴离子电解质溶液和纳米MgO溶液，浓度均保持在1%。最后用几种溶液对 试样进行层层自组装覆膜，注意整个涂层制备过程 保持在室温和常压下进行。
1.2.2木材表面壳聚糖/植酸钠/纳米MgO复合涂层 的制备
首先将木材试样放入带有正电荷的壳聚糖溶 液中浸泡90 min，由于带电粒子正负相吸作用，壳聚糖的聚阳离子会附着于木材表面，同时还有部分呈 游离态散布于试样表面，取出后用蒸馏水冲洗掉试 样表面的游离态聚阳离子，并送人烘箱中以60 °C烘 干1h，以便得到干燥的试样。随后再将试样浸人带 有负电荷的植酸钠溶液中维持90 min，相同原理，此 时溶液中聚阴离子将附着于试样表面。取出后再次
用蒸馏水冲洗，去掉试样表面多余的聚阴离子并将 其送人烘箱中以60 °C烘干l h。接着，将处理后的 木材试样放人纳米M g O水溶液中保持90 min，由于 纳米M gO水溶液在p H值为3时带有正电，此时溶液 中微粒将因静电吸附而叠加组装在试样表面，成为 其表面存在的第三层物质，最终取出试样用蒸馏水 冲洗并送人烘箱重复先前操作，完成一层涂布。试 验中各组装剂体积比为1:1:1，组装剂浓度均为1%。
经过以上操作便可制得表面涂布单层壳聚糖/植酸钠/纳米MgO复合膜层的木材试样。试样膜层 以浸入聚阴离子电解质植酸钠溶液和MgO纳米粒 子水溶液后，在木材表面沉积的植酸钠/纳米MgO 为一层涂层，反复上述操作内容使植酸钠和纳米MgO在木材表面交替沉积组装，最终可获得不同涂 布层数的木材试样。本试验以涂布在木材表面的 壳聚糖/植酸钠/纳米MgO复合膜层数为变量，保持 其他条件相同的情况下，探讨变量对木材防火阻燃 性能的影响。试验设置试样涂布层数分别为：1、3、5、8、10层，如表1所示。
表1试验材料用量及编号
Table 1Amount and number of test materials
试样
组装剂浓度
/g-(100 m L)'1
组装剂
配比
每层浸渍时间
/min
组装层数
/层111:1:1901
211:1:1903
311:1:1905
411:1:1908
511:1:19010
1.2.3木材表征测试
通过SEM电镜图像可看到木材表面的形貌特 征，通过对比涂布前后的木材试样可观察到是否有 新物质附着，且放大后可对物质形貌进行分析，清 晰直观地看到涂层涂布效果。随后对试样化学成 分进行XRD测试，通过对峰值的观察核实木材表面 涂布物质为壳聚糖/植酸钠/纳米MgO复合涂层。1.2.4木材热稳定性测试
LOI值测试常常被用于评价材料的阻燃性能。燃烧过程伴随着氧气的消耗，环境中氧气不断减
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少，测试得到较高的氧指数则表示此材料燃烧所需 较高的氧含量，因此意味着材料有较好的阻燃性，有较好的热稳定性。通过测量，将原始木材试样与 经过不同层数壳聚糖/植酸钠/纳米MgO复合膜涂布 后木材试样的LO丨值进行了对比。
2结果与分析
2.1木材U样SEM及XRD结果分析
利用SEM电镜图对素材和表面涂布10层壳聚 糖/植酸钠/纳米MgO复合膜层的木材试样进行形貌 表征。如图la所示，原始材料表面纹孔、细胞壁等 结构呈现较为清晰。当试样经过数次涂布壳聚糖/植酸钠/纳米MgO复合膜层之后，其表面分散了大 量的微小颗粒，排列稀疏，有少量团聚现象，如图lb 所示。放大的扫描电镜高倍图片显示，试样表面附 着的微小颗粒呈六角片状，平均直径在2 pm左右，如图lc所示。利用XRD对两个试样进行结晶分析，如图Id所示，试样在20= 15°和23°处均有典型的纤 维素（I)型结构特征峰，改性材的峰强度略有下降，表明多次浸渍涂布处理对木材组分有甚微破坏。
与标准MgO的JCPDS卡片（No.45-0946)相对 照，改性后的木材试样在26> = 43° (200)处出现了典 型了 MgO立方体岩盐结构，最终确定木材表面附着 的微小颗粒是MgO。
b)低倍处理材
d
素材
改性材
c)高倍处理材 d)x m)谱图
图1SE M电镜图和XRD谱图
Fig. 1SEM and XRD patterns
2.2不冏涂层数对L O I值的影响
实验过程中发现涂布在木材表面的壳聚糖/植 酸钠/纳米MgO复合膜层数对改性木材的LOI值有 着明显的影响，进而影响到木材的阻燃效果。如阍2 所示，为不同组装涂层数对改性木材LOI值的影响: 由图可以看出：当组装层数为1层时，木材的极限氧 指数仅为25.2，木材依然容易燃烧；经过3层涂布后，木材的极限氧指数有所增加，仍具有易燃性；当组装 层数为5层时，木材的极限氧指数有明显增加，达到 了28.5，此时的木材初现难燃属性；冉继续涂布直到 10层时，木材的极限氧指数达到了相对较高的值30.2，显示出很好的难燃特性。说明在组装过程中，组分的组装层数影响了阻燃剂在木材表面的吸附量的多少，进而影响了复合膜所产生的阻燃效果。
图2不同涂布层数试样LO I数值
Fig. 2 LOI values of samples with different coating layers 综上所述，采用层层自组装技术，设置试验中 各组装剂配比为1:1:1，组装剂浓度均为1%，浸渍
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时间为90 min，经过多次循环组装后，可在木材表面 成功组装壳聚糖/植酸钠/纳米MgO复合涂层，且该 涂层对木材的阻燃性能有良好改善。此外，最终得 到涂层防火性能的优劣与涂层数量有很大关系。试验结果显示，随着试样表面复合涂层层数增多，测试所得LOI值会明显提高，材料防火能力也相应 越好。在目前的1、3、5、8、10层5种涂层层数试样 中，涂布为10层的试样防火阻燃性能表现最优。
3结语
由试验结果可以看出，在符合条件的情况下对 木材表面进行壳聚糖/植酸钠/纳米MgO复合涂层的 有效涂布是对木材进行防火阻燃改性的有效方法 之一。此方法的应用对于提高木家具使用的安全 性能，减少火灾发生有着突出作用，尤其适合应用 于木质产品放置较多的公共场合。未来可以在此 方面进行深入研究，结合需求、成本等多重因素选 择复合涂层材料及层数的最佳组合，使其发挥出较 好的经济效益。
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(责任编辑吴智慧胡静)
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