探究水玻璃的阻燃机理.doc

发表期刊：《化学教育》 2012年第3期
探究水玻璃的阻燃机理
但世辉 陈莉莉
（湖北襄阳市东风中学 441004）

摘要 针对高一化学教学中对水玻璃阻燃机理的不到位认识，通过测量样品的极限氧指数（LOI）和失重百分率，并且分析了所得数据的含义，得出了水玻璃阻燃机理的主要原因和其他原因。
关键词 水玻璃 阻燃机理 极限氧指数 失重百分率

1 问题的提出
人教版《普通高中课程标准实验教科书化学1（必修）》介绍了如下实验：
[实验4—2]取两根小木条或滤纸条，分别放入蒸馏水和饱和Na2SiO3溶液中，使之充分吸湿浸透，取出稍沥干（不再滴液）后，同时分别放置在酒精灯外焰处，观察现象[1]。
当把充分吸湿、浸泡饱和Na2SiO3水溶液的小木条（稍沥干）放置在酒精灯外焰灼烧时，小木条并没燃烧起来而只是变黑冒泡。很显然，水玻璃可用作阻燃剂阻止木材起火，至于水玻璃的阻燃机理教材中并没有进行阐述，对此，笔者查阅相关文献并从实验角度进行了深层次的探究。
2 木材的燃烧过程
木材的燃烧过程可以分为4个阶段[2]。
（1）干燥阶段（即脱水阶段）：主要在40～120℃之间，是木粉吸附水分的受热蒸发过程，这是一个吸热过程；
（2）炭化阶段：大约出现在230～330℃之间，木材受热开始分解，放出CH4、CH3OH和木焦油等可燃性物质，发生剧烈的有焰燃烧，是一个放热过程；
（3）木炭煅烧阶段：温度范围在330～420℃，可燃性挥发物质已经很少，也称为木炭的红热燃烧，是一个放热过程；
（4）木炭的爆燃阶段：发生在430℃左右，木炭剧烈燃烧，也是一个放热过程。
3 水玻璃阻燃机理的实验论证
3.1 实验部分
（1）主要原料及仪器
一小段杨木木材，Na2SiO3·9H2O,HC-1氧指数仪（南京江宁分析仪器厂）；WCT-2微机差热分析仪（北京瑞利分析仪器公司）
（2）实验原理及简要过程
极限氧指数（LOI）的高低常用于衡定物质的可燃及阻燃程度，LOI越低说明越易燃烧，越高说明阻燃性能越强。本实验中用HC-1氧指数仪分别测定纯木材和水玻璃浸泡后的木材样品的LOI。
失重百分率用于衡定木材燃烧过程中生成的可燃性物质（主要在第二阶段）及剩炭（主要在二、三阶段）的多少，失重百分率越高，说明第二阶段生成的可燃物越多，越能促进燃烧，同时也说明二、三阶段的剩炭量越多，较之可燃物剩炭较稳定，不易燃烧。本实验中用WCT-2微差热分析仪分别测定纯木材和水玻璃浸泡后的木材样品的失重百分率。
（3）实验数据
通过实验的测定，可得样品的LOI及失重百分率的相关数据（表1）。
表1 样品的LOI及失重百分率数据
样品
LOI%
燃烧各阶段的失重百分率%
第一阶段
第二阶段
第三阶段
第四阶段
纯杨木
20.8
9.7
65.3
12.4
11.8
浸泡的杨木
28.4
10.1
47.6
28.2
10.1
从LOI的数据来看，纯木材的LOI仅为20.8%属易燃材料，用水玻璃浸泡之后LOI上升至28.4%，说明水玻璃具有较强的阻燃性能。
从燃烧各阶段失重百分率来看，第一阶段的失重百分率大致相当，都在10%左右，主要为木材的脱水过程，可燃物质和剩炭均未生成，此阶段水玻璃尚未起作用；木材燃烧进入第二阶段之后，两种样品的失重率均变得很大，主要是由于木材中纤维素和半纤维素的降解，生成CH4、CH3OH和木焦油等可燃性物质造成的，对比两种样品的失重百分率可以看出，水玻璃浸泡后的木材失重百分率为47.6%，这小于纯木材的65.3%，说明在此阶段水玻璃开始起作用，使得CH4、CH3OH和木焦油等可燃性物质的生成量减少，进而降低了有焰燃烧的剧烈程度；进入第三阶段之后，样品的失重主要体现在木炭的生成上，对比两种样品的失重百分率可知，水玻璃浸泡后的木材失重百分率较大，说明水玻璃的存在使得木材中有更多的剩炭生成量，由于剩炭较稳定，燃烧的剧烈程度也会降低；第四阶段的失重百分率差别不大，主要是由于剩炭的氧化造成，水玻璃在此阶段基本不起作用。
3.2 水玻璃阻燃机理的主要原因
在木材内部：由以上分析可知，水玻璃起阻燃作用主要发生在木材燃烧的二、三阶段，木材经水玻璃浸泡之后，Na2SiO3可以大量减少可燃性物质（CH4、CH3OH和木焦油等）的生成（此阶段失重百分率由65.3%降至47.6%），阻碍了木材的有焰燃烧，同时，Na2SiO3又促进了木材向木炭的转化，使得剩炭量较多（此阶段失重百分率由12.4%升至28.2%），燃烧的稳定性得以改善。究其原因在于：水玻璃参与并催化了木材的分解过程，使得木材的分解过程提前，同时水玻璃也改变了木材的分解反应历程和方向，朝着生成更多木炭的方向变化，剩炭量增多，进而使得木材的稳定性提高，即阻燃性变强[2]。
在木材外部：教材[实验4-2]中，在对滤纸或小木条加热的过程中，其表面覆盖着一层白色泡沫状固体，经尹猛老师论证，此白色固体为无水硅酸钠（由带有结晶水的偏硅酸钠失水而得）[3]。无水硅酸钠在较高温度下形成熔融性的玻璃状熔体（Na+的存在可降低形成温度）覆盖在木材及剩炭的表面，使其变得更加致密，这种结构有利于隔热、阻氧，同时抑制了可燃性气体的逸出，对基体起保护作用，从而达到阻燃效果。
正是由于水玻璃能够在木材的内部和外部共同起作用才使得浸泡之后的木材有了良好的阻燃效果。
3.3 水玻璃阻燃机理的其他原因
除了以上原因之外，还有水玻璃的脱水炭化作用：木材在加热时会分解放出CH3COOH等酸性物质，部分纤维素、半纤维素在这些酸性环境中可发生脱水和炭化，不产生可燃气体，燃烧难以进行[4]。

参 考 文 献
[1]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书：化学1（必修）.北京：人民教育出版社，2007:77
[2]武伟红,屈红强，李娜等.硅酸盐阻燃木材的阻燃性能和热性能研究.化学工程师，2010,(10):11
[3]尹猛.浅析硅酸钠溶液的阻燃实验.中学化学教学参考，2010,(7):48-49
[4]王国建,王凤芳.建筑防火材料.北京：中国石化出版社，2006:24