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《杨木增强与阻燃处理环保技术研究》可作为木材科学与技术、家具与室内设计等领域科研院所研究人员以及高等院校相关专业师生的参考书，同时也可作为杨木强化材和阻燃杨木胶合板生产、检测等相关人员的参考书。
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| 內容簡介： |
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《杨木增强与阻燃处理环保技术研究》系统地阐述了人工林杨木速生材综合利用技术的发展历程及研究趋势；介绍了一种可以代替标准环境舱、成本低廉且操作和维护简单的15L小型环境舱设计原理与结构，并基于该设备对杨木强化材和阻燃杨木胶合板释放的甲醛和VOC进行采集，以降低甲醛和VOC的检测成本；探讨了工艺因子对杨木强化材和阻燃杨木胶合板有害气体释放的影响，优化了基于有害气体释放源头控制的杨木改性产品生产工艺；分析了几种纳米添加剂和阻燃剂对杨木强化材和阻燃杨木胶合板甲醛和VOC释放的控制作用和机理。为人工林杨木的高效高质利用提供了技术支撑，扩大了速生杨木的应用范围，提高了产品的附加值。
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| 目錄：
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前言
第1章 绪论1
1.1 木材增强、阻燃技术概况2
1.1.1 木材增强、阻燃机理2
1.1.2 木材增强、阻燃方法3
1.1.3 木材用增强树脂和阻燃剂5
1.1.4 增强阻燃处理材性能7
1.2 研究现状8
1.2.1 国外研究现状8
1.2.2 国内研究现状11
1.3 应用中存在的问题和发展趋势16
1.3.1 存在的问题16
1.3.2 发展趋势16
参考文献17
第2章 木制品VOC测试方法研究23
2.1 VOC采集方法现状23
2.1.1 实地和实验室小空间释放法（FLEC）23
2.1.2 干燥器盖法25
2.1.3 环境舱法25
2.2 小型环境舱的设计原理与性能27
2.2.1 小型环境舱的设计原理与结构27
2.2.2 小型环境舱性能分析29
2.2.3 小型环境舱的工作原理及过程34
2.3 大小型环境舱测试数据的相关性分析35
2.3.1 样品选择与性能测试35
2.3.2 大小型环境舱检测TVOC释放速率及相对偏差38
2.3.3 测试数据的相关性分析44
2.4 多参数调控条件下的性能分析46
2.4.1 工艺设计与性能测试46
2.4.2 多参数调控下TVOC的释放47
2.4.3 多参数调控下芳烃和烷烃的释放51
2.4.4 多参数调控下主要VOC单体的释放53
2.5 本章小结54
参考文献55
第3章 杨木强化材有害气体检测与控制技术研究58
3.1 工艺参数对杨木强化材VOC释放的影响58
3.1.1 工艺设计与性能测试59
3.1.2 加压浸渍压力61
3.1.3 加压浸渍时间65
3.1.4 树脂浓度69
3.1.5 FTIR分析72
3.1.6 扫描电镜分析74
3.2 低污染杨木强化材优化工艺研究75
3.2.1 工艺设计与性能测试75
3.2.2 VOC释放特性77
3.2.3 甲醛释放81
3.2.4 力学性能83
3.2.5 响应面优化84
3.2.6 优化工艺的验证93
3.3 纳米二氧化钛对杨木强化材有害气体释放的控制作用94
3.3.1 工艺设计95
3.3.2 性能测试95
3.3.3 VOC与甲醛释放96
3.3.4 力学性能102
3.3.5 FTIR分析103
3.3.6 SEMEDS分析105
3.4 纳米SiO2对杨木强化材有害气体释放的控制作用107
3.4.1 工艺设计107
3.4.2 VOC与甲醛释放108
3.4.3 力学性能112
3.4.4 FTIR分析113
3.4.5 SEMEDS分析115
3.5 尿素对杨木强化材有害气体释放的控制作用117
3.5.1 工艺设计117
3.5.2 甲醛释放117
3.5.3 力学性能118
3.6 本章小结119
参考文献122
前言
第1章 绪论
1.1 木材增强、阻燃技术概况
1.1.1 木材增强、阻燃机理
1.1.2 木材增强、阻燃方法
1.1.3 木材用增强树脂和阻燃剂
1.1.4 增强阻燃处理材性能
1.2 研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 应用中存在的问题和发展趋势
1.3.1 存在的问题
1.3.2 发展趋势
参考文献
第2章 木制品VOC测试方法研究
2.1 VOC采集方法现状
2.1.1 实地和实验室小空间释放法（FLEC）
2.1.2 干燥器盖法
2.1.3 环境舱法
2.2 小型环境舱的设计原理与性能
2.2.1 小型环境舱的设计原理与结构
2.2.2 小型环境舱性能分析
2.2.3 小型环境舱的工作原理及过程
2.3 大小型环境舱测试数据的相关性分析
2.3.1 样品选择与性能测试
2.3.2 大小型环境舱检测TVOC释放速率及相对偏差
2.3.3 测试数据的相关性分析
2.4 多参数调控条件下的性能分析
2.4.1 工艺设计与性能测试
2.4.2 多参数调控下TVOC的释放
2.4.3 多参数调控下芳烃和烷烃的释放
2.4.4 多参数调控下主要VOC单体的释放
2.5 本章小结
参考文献
第3章 杨木强化材有害气体检测与控制技术研究
3.1 工艺参数对杨木强化材VOC释放的影响
3.1.1 工艺设计与性能测试
3.1.2 加压浸渍压力
3.1.3 加压浸渍时间
3.1.4 树脂浓度
3.1.5 FTIR分析
3.1.6 扫描电镜分析
3.2 低污染杨木强化材优化工艺研究
3.2.1 工艺设计与性能测试
3.2.2 VOC释放特性
3.2.3 甲醛释放
3.2.4 力学性能
3.2.5 响应面优化
3.2.6 优化工艺的验证
3.3 纳米二氧化钛对杨木强化材有害气体释放的控制作用
3.3.1 工艺设计
3.3.2 性能测试
3.3.3 VOC与甲醛释放
3.3.4 力学性能
3.3.5 FTIR分析
3.3.6 SEMEDS分析
3.4 纳米SiO2对杨木强化材有害气体释放的控制作用
3.4.1 工艺设计
3.4.2 VOC与甲醛释放
3.4.3 力学性能
3.4.4 FTIR分析
3.4.5 SEMEDS分析
3.5 尿素对杨木强化材有害气体释放的控制作用
3.5.1 工艺设计
3.5.2 甲醛释放
3.5.3 力学性能
3.6 本章小结
参考文献
第4章 阻燃杨木胶合板有害气体检测与控制技术研究
4.1 市场上阻燃杨木胶合板VOC释放水平的研究
4.1.1 品牌选择与性能测试
4.1.2 市售板材的环保性能分析
4.1.3 工艺差异对VOC释放的影响
4.1.4 板材厚度对VOC释放的影响
4.2 工艺参数对阻燃杨木胶合板有害气体释放的影响
4.2.1 试件制作与性能测试
4.2.2 FRW阻燃杨木胶合板甲醛和VOC释放特性
4.2.3 工艺参数对FRW阻燃杨木胶合板甲醛和VOC释放的影响
4.2.4 无机阻燃杨木胶合板甲醛和VOC释放特性
4.2.5 工艺参数对无机阻燃杨木胶合板甲醛和VOC释放的影响
4.3 低污染阻燃杨木胶合板优化工艺研究
4.3.1 工艺设计与性能测试
4.3.2 低污染FRW阻燃杨木胶合板优化工艺研究
4.3.3 无机阻燃杨木胶合板优化工艺研究
4.4 本章小结
参考文献
附录
附录1 小型环境舱与标准舱测试数据的相关性分析
附录2 杨木强化材VOC组分
第4章 阻燃杨木胶合板有害气体检测与控制技术研究126
4.1 市场上阻燃杨木胶合板VOC释放水平的研究126
4.1.1 品牌选择与性能测试126
4.1.2 市售板材的环保性能分析127
4.1.3 工艺差异对VOC释放的影响128
4.1.4 板材厚度对VOC释放的影响130
4.2 工艺参数对阻燃杨木胶合板有害气体释放的影响130
4.2.1 试件制作与性能测试131
4.2.2 FRW阻燃杨木胶合板甲醛和VOC释放特性134
4.2.3 工艺参数对FRW阻燃杨木胶合板甲醛和VOC释放的影响137
4.2.4 无机阻燃杨木胶合板甲醛和VOC释放特性140
4.2.5 工艺参数对无机阻燃杨木胶合板甲醛和VOC释放的影响142
4.3 低污染阻燃杨木胶合板优化工艺研究144
4.3.1 工艺设计与性能测试145
4.3.2 低污染FRW阻燃杨木胶合板优化工艺研究146
4.3.3 无机阻燃杨木胶合板优化工艺研究153
4.4 本章小结160
参考文献161
附录163
附录1 小型环境舱与标准舱测试数据的相关性分析163
附录2 杨木强化材VOC组分169
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| 內容試閱：
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第1章 绪论
木材作为环境友好型的可再生材料，因其特有的优良品质，已广泛地应用于建筑、装饰和家具等方面。但随着天然林的枯竭和国家天然林保护措施的实施，木材市场的供需矛盾日益加剧。在这种情况下，生长快、产量高的人工林成为缓解供需矛盾的主要资源。
杨树生长迅速（仅需十几年便可成材）、适应性强、分布广泛、蓄积量大（尤其在我国北方），是我国主要人工林树种之一。从20世纪60年代开始，我国杨树人工林的总面积居于世界首位。目前，我国杨树人工林分布范围横跨北纬25°～53°，东经76°～134°，基本遍布于东北、西北、华北、西南等地，种植面积已达800 万hm2，相当于世界其他国家和地区杨树种植面积总和。但由于杨木的材质软、密度及物理力学强度低、易腐朽、易变形、易燃等材性特点，限制了其应用范围。目前，杨木主要应用于制浆造纸、包装、火柴、一次性筷子和低性能人造板等低附加值产品的工业生产，利用率低，资源浪费严重。因此，通过对杨木进行功能性改良，提高其力学性能、尺寸稳定性、防腐性能和阻燃性能，对扩大杨木的应用范围、提高产品附加值和促进人工林杨木产业良性发展具有重大意义。目前，木材功能性改良主要将增强树脂、阻燃剂、防腐剂等化学改性剂浸渍到木材中，以赋予木制品优良的使用性能。
然而，化学改性剂的引入，使得处理材在加工和使用过程中不可避免地释放出挥发性有机物污染室内空气，影响其环保性能。根据关于木材及人造板挥发性有机化合物（volatile organic compound，VOC）和甲醛释放控制的研究文献报道，将处理材释放的甲醛及VOC来源归结为以下三方面：①木材抽提成分：它包括无机物、果胶、蛋白质等；精油、树脂酸、脂肪酸、醇类、脂肪与蜡、芳香族化合物（酚类）等，后者会在高温干燥和热压过程中产生VOC，如萜烯类来源于杉木精油，醛类主要来源于树脂酸。②木材主要成分：木材的主要成分纤维素、半纤维素及木质素在高温或长时间加热条件下会发生热降解，生成酸、醇、醛类等物质。例如，木材半纤维素中4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸脱甲基化作用可形成甲醇，木材半纤维素脱乙酰化作用可形成乙酸。③胶黏剂及改性剂：脲醛树脂（urea-formaldehyde，UF）、酚醛树脂（phenol-formaldehyde，PF）、阻燃剂等化学改性剂本身就存在游离甲醛、游离酚或氨等，在使用过程中逐渐向周围环境释放，最长释放期可达十几年。
近年来，随着装饰材料有害气体超标引发人体健康问题案例的增多和媒体的报道，室内空气品质（indoor air quality，IAQ）问题引起人们的广泛关注。人类约有87%的时间在室内度过，因此，室内空气质量比室外空气质量更重要，它直接影响人们的健康。室内空气质量低劣可能会引发多种症状，如头痛，眼睛、鼻子或喉咙疼痛，干咳，头晕恶心，注意力分散和疲倦等“病态建筑综合征”（sick building syndrome，SBS）。除此之外，室内挥发性有机污染物还会引起“建筑相关疾病”（building related illness，BRI）和“多种化学污染物过敏症”（multiple chemical sensitivity，MCS）。除身体有不舒适感外，长期处于高浓度的甲醛、苯系物和其他挥发性有机污染物环境中，可以引发癌症、白血病甚至导致死亡。
为此，本书从建立测试方法、分析VOC释放特性和影响因子、建立工艺参数与处理材性能的数学模型、优化环保工艺和机理分析等方面着重探讨低分子脲醛树脂强化处理人工林杨木的环保工艺和阻燃处理杨木单板制作胶合板的环保工艺，从而实现从生产源头控制处理材VOC和甲醛的释放。
1.1 木材增强、阻燃技术概况
1.1.1 木材增强、阻燃机理
1. 木材增强机理
木材具有一定的渗透性，对于渗透性好的阔叶材，液体可以沿纵向轻易渗透到几米的距离。木材增强处理就是利用木材的多孔特性，通过一定的方法，将增强剂浸渍到木材单元中，如导管分子、木纤维、早晚材管胞。增强剂或对木材物理填充，或与木材产生化学结合，或两者皆有，一方面通过增加单位体积内的木材实质含量，增大木材密度，另一方面利用木材增强剂与木材组分中的活性反应基团发生交联聚合反应，生成的聚合物沉积并填充于细胞腔、细胞间隙、细胞壁，同时封闭了木材结构中的亲水性基团——羟基，从而提高木材的强度和尺寸稳定性。
2. 木材阻燃机理
由于木材和木质材料是由C、H、O等元素组成的生物质有机化合物，属于可燃性物质。木材燃烧一般分为以下四个阶段。
（1）干燥阶段：温度在150℃以下，木材热分解极其缓慢，分解产生的主要气体是CO2和H2O等，为吸热阶段。
（2）预炭化阶段：温度在150～275℃，木材分解缓慢，细胞壁主要化学成分开始变化，释放出CO、CO2和少量有机挥发物，为吸热阶段。
（3）炭化阶段（有焰燃烧阶段、热分解阶段）：温度在275～450℃，木材剧烈热分解，放出大量的CO、CH4等可燃性气体，生成木炭。此阶段为放热阶段，且火焰及热能在木材表面快速传播，木材失重的80%在此阶段完成，是木材燃烧时最危险的阶段。
（4）煅烧阶段：温度在450～1500℃，此时木材热分解已经结束，木炭开始煅烧，也是放热阶段。
木材阻燃机理主要有以下五种。
（1）障碍理论：阻燃剂如硼砂或硼酸，在还没有达到木材燃烧温度时便开始熔融，覆盖在板材表面，使外部空气（主要是氧气）与板材上火焰隔绝，同时起到阻止板材产生的可燃性气体外溢的作用，进而阻止了板材燃烧。
（2）热理论：包括隔热、热传导和吸热三种作用。隔热即阻挡热量向木材内部传递，如阻燃剂受热在木材表面形成熔融的液层、玻璃状隔层或泡沫层，阻止氧气和隔断热量。热传导即阻燃剂通过提高木材热传导速率，使热量快速扩散，阻止木材温度上升。吸热即发生物理和化学变化时阻燃剂吸收大量的热量，降低木材表面温度，如金属氢氧化物阻燃剂在高温下可以脱去结晶水，水分的蒸发吸收大量热量，进而降低了板材的温度，延长了达到板材燃烧温度的时间，从而达到阻燃的目的。
（3）不燃气体的冲淡作用理论：阻燃剂如氢氧化镁，在较低温度下可受热产生水蒸气，水蒸气稀释了板材产生的可燃气体浓度，起到阻燃作用。
（4）自由基捕集理论：阻燃剂如氯化镁，在板材燃烧时，氯化镁受热分解产生氯化氢，它可以破坏板材燃烧过程中燃烧反应的链增长，使火焰熄灭，起到阻燃作用。
（5）炭量增加理论：如磷-氮系阻燃剂可以降低板材热分解的开始温度，同时促进热解产生更多的木炭并减少可燃性挥发性有机化合物的产生，抑制有焰燃烧。
胶合板的燃烧实质上是单板细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素在高温下热分解产生可燃性产物如甲烷等的燃烧。半纤维素在高于225℃时开始分解，在木材三大组分中最不稳定；在250～500℃时，木质素逐渐开始分解；当温度高于325℃时，纤维素也开始热分解。造成木材燃烧的挥发性化合物来自纤维素和半纤维素的热解，而木炭是木质素的热解产物。胶合板与木材的阻燃理论相似，区别在于：胶合板是由木材单板胶合热压而成，单板之间用脲醛树脂胶黏剂黏结，胶黏剂中含有氯化铵（固化剂），使得胶层中含有氮元素和氯元素，本身具有一定的阻燃性能。
1.1.2 木材增强、阻燃方法
根据木材改性剂是否与木材细胞壁活性基团发生化学反应，可将木材改性方法分为物理方法和化学方法。
（1）木材物理改性方法是指采用无机物或者纳米材料填充于木材细胞中，一般采用溶胶-凝胶法、原位插层合成法、注入填充法、共混法等，形成木材无机纳米复合材料。
（2）木材化学改性方法是指采用某些化学改性剂在加热、催化或者辐射等外界条件下与木材组分中的活性基团发生聚合反应，形成共价键结合，改变木材的化学结构与组成，从而改善或提高木材的某些性能。
根据改性剂进入木材的方式不同，可以分为常压浸渍和加压浸渍两种。
（1）常压浸渍就是在常温或加热条件下将木材浸泡在液体改性剂中，改性剂沿着木材的各切面同时进入到木材结构单元中。这种方法设备和工艺简单，成本投入小，但改性剂进入木材的速度缓慢，同时要求改性剂的黏度尽可能低。
（2）加压浸渍是将经过干燥后的木材放入浸渍罐中密封，通过加压泵或空压机加压，利用木材内外压力差，将改性剂注入木材内部。目前，木材改性行业常用的方法就是真空-加压浸渍法，其设备结构示意图如图1-1所示。真空-加压浸渍法就是将木材置于高压罐内，首先抽到一定的负压，目的是抽掉木材细胞腔内的气体，以便改性剂浸渍渗入，然后将改性剂溶液引入处理高压罐内，保证木材被改性剂淹没覆盖，最后通过加压装置向高压罐内施加一定的压力，将改性剂溶液浸渍到木材内部。该方法可以有效地将改性剂浸渍到木材内，但设备成本高，处理材尺寸受设备限制。
图1-1 真空-加压浸渍设备结构示意图
随着木材阻燃技术的深入研究，除了真空-加压浸渍主流方法外，其他加压处理方法也随之开发，如振荡加压、超声波处理、脉冲加压、离心转动处理、压缩前处理、连续热压辊加压、高能喷射等。木材改性方法的研究，推动了木材改性行业的快速发展。
1.1.3 木材用增强树脂和阻燃剂
1. 木材用增强树脂
树脂增强处理木材是采用水溶性低相对分子质量树脂浸渍木材，使木材既保留原有的优良品质，又能弥补木材的天然缺陷。浸渍到木材中的低相对分子质量树脂，在高温下固化，生成的聚合物不仅填充了木材内的空隙，起到增重、增容木材的作用，而且树脂的活性官能团会与木材组分中的某些官能团发生交联反应，并沉积于木材细胞壁内，从而提高木材的强度与尺寸稳定性。
1）酚醛树脂
酚醛树脂具有良好的抗缩率、耐老化性能和防水性能。利用低相对分子质量酚醛树脂增强处理日本雪松后，采用扫描电子显微镜（简称扫描电镜，SEM）和X射线电子探针微区分析法研究了树脂在木材内的渗透情况，结果表明，相对分子质量为290～470的酚醛树脂可以进一步渗透到木材细胞壁。刘君良对酚醛树脂预聚物处理固定木材压缩变形机理进行研究，认为酚醛树脂预聚物的羟甲基与木材细胞壁物质的羟基发生聚合反应，形成共价键结合，从而提高木材的力学强度，同时赋予木材良好的防腐性能并改善了木材的尺寸稳定性。然而，酚醛树脂增强处理的木材存在材色加深和游离酚释放的问题，严重限制了强化处理材的应用范围。
2）脲醛树脂
与其他树脂相比，脲醛树脂生产成本低、材料易获取、制备简单，是木材改性研究中常用树脂之一。脲醛树脂增强处理木材，是利用羟甲基脲与木材中纤维素、半纤维素、木质素中的羟基发生聚合反应，以及羟甲基脲自身发生聚合反应，形成网状交联结构，从而提高木材的力学性能，降低木材中亲水性基团羟基的含量，改善木材的尺寸稳定性，其反应方程式如图1-2所示。然而，脲醛树脂由于本身存在游离甲醛，因此，材料在加工和使用过程中会释放出大量的甲醛，同时，固化后的树脂结构也会随着时间的延长和外界条件的变化发生改变，进一步释放甲醛，从而污染室内环境。
图1-2 羟甲基脲与木材之间的反应
3）三聚氰胺甲醛树脂
三聚氰胺甲醛树脂也是一种常见的木材增强用树脂，具有色浅、耐水、化学性质稳定等特点。三聚氰胺甲醛树脂是三官能度的N-羟甲基类化合物，易与木材的活性基团发生反应，其反应方程式如图1-3所示。
图1-3 三羟甲基三聚氰胺与木材之间的反应
4）异氰酸酯树脂
在弱碱条件下，异氰酸酯树脂与木材中的羟基发生化学反应，生成氨基甲酸酯键，反应方程式见图1-4。利用异氰酸酯增强木材，具有处理材力学强度高、尺寸稳定性好、抗生物侵害性能好、无游离甲醛和游离苯酚污染等优点，但生产成本高。
图1-4 异氰酸酯与木材之间的反应
2. 木材用阻燃剂
按阻燃剂成分所属化合物类型，可将胶合板阻燃剂分为无机阻燃剂和有机阻燃剂两种。
1）无机阻燃剂
无机阻燃剂是最早被用来处理木材以降低木材易燃性的一种阻燃剂。这种阻燃剂的优点在于原料来源广泛、价格低廉、生产工艺简单，至今仍被应用于木材阻燃处理。现在应用较多的是磷-氮系复合木材阻燃剂和磷-氮-硼系复合木材阻燃剂，这两类阻燃剂充分发挥了不同阻燃元素混合使用的协同作用，使阻燃剂的用量减少，并且无毒无害，对处理材的材性影响较小，缺点是阻燃剂自身存在一定的吸湿性使处理材
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