生物基硅氮阻燃固化剂改性松木的合成与降解机制研究

推荐：为解决松木易燃问题，研究人员开发了氢化松香改性异氰酸酯基三乙氧基硅烷交联剂(HRIS)与聚二甲基硅氧烷(PDMS)协同改性体系。通过化学交联在松木多孔结构中构建有机-无机杂化网络，使极限氧指数(LOI)从24.68%提升至25.4%，热稳定性达330℃。该研究为开发环保型木材阻燃剂提供了新思路。

　　

松木因其纹理美观、硬度均匀被广泛用于建筑和家具制造，但其本质易燃性限制了应用。传统阻燃方法存在环境风险，而硅基阻燃剂虽能形成隔热炭层，但石油基交联剂不够环保。针对这些问题，中国林业科学研究院林产化学工业研究所的研究人员创新性地利用生物基氢化松香开发了新型阻燃体系，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》上。

研究人员采用氢化松香甘油酯(GE)与3-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷反应合成HRIS交联剂，再与羟基封端聚二甲基硅氧烷(PDMS)共浸渍松木，通过超声辅助实现深度渗透。主要技术包括：1)核磁共振(NMR)和拉曼光谱表征HRIS结构；2)扫描电镜(SEM)观察改性松木(RSP)微观形貌；3)能量色散谱(EDS)分析元素分布；4)热重-红外联用(TG-IR)研究热降解行为；5)极限氧指数(LOI)和锥形量热测试评估阻燃性能。

结构表征方面，FTIR证实HRIS成功合成了含硅氧基(-Si-O-)和氨基甲酸酯基(-NH-COO-)的特征结构。SEM显示RSP的管胞腔被硅橡胶完全填充，EDS检测到硅元素(8.23%)均匀分布，证实改性剂深度渗透。

热性能研究显示，RSP在330℃仍保持稳定，残炭率显著提高。TG-IR分析发现降解过程中产生D3-D5环状硅氧烷小分子，这是硅氧键重排所致。LOI测试表明RSP的氧指数提升至25.4%，但锥形量热显示总热释放较高，这与残留乙醇的助燃作用有关。

XPS分析燃烧残炭发现硅氧(Si-O)和硅碳(Si-C)键的存在，证实形成了隔热屏障。研究揭示了阻燃与助燃的竞争机制：一方面HRIS的刚性菲环结构和硅氮协同效应促进炭层形成；另一方面交联副产物乙醇加剧了初期燃烧。

该研究开创性地将生物基松香与有机硅化学结合，通过松木天然多孔结构实现阻燃剂的化学固定。虽然乙醇副产物影响了阻燃效率，但提出的分子设计策略为开发可持续木材阻燃技术指明了方向。未来通过优化交联工艺减少易燃副产物，可进一步提升该体系的实用性和安全性。这项工作不仅拓展了松香的高值化利用途径，也为发展环境友好型阻燃材料提供了重要参考。