Flame retardant properties of MIL-100 (Fe) treated poplar wood
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摘要:目的
为提高木材的阻燃抑烟性能，本研究采用金属有机框架材料（MOF）作为新型阻燃剂，选用MIL-100(Fe)处理木材，制备一种绿色环保的阻燃材料，旨在为木材阻燃提供新思路。
方法以MIL-100(Fe)为阻燃剂，采用常压浸泡（W-JP组）和真空加压浸渍（W-JZ组）两种方法，在木材体内原位合成MIL-100(Fe)。利用扫描电子显微镜、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱分析处理材形貌结构；采用氮气吸附法对处理材的孔隙结构进行表征；采用极限氧指数、热重测试、锥形量热测试评估处理材的热稳定性和阻燃抑烟性能；最后采用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱对残炭进行形貌结构表征并进行机理分析。
结果两种处理方法均可在木材内原位合成MIL-100(Fe)，其中W-JZ组有更多的MIL-100(Fe)前驱体溶液进入木材内部并完成结晶，质量增长率达24.36%，形成的晶体结构更完整均匀，尺寸更小。MIL-100(Fe)处理材表现出良好的热稳定性，其中W-JZ组残炭率提升了39.99%，热质量损失速率峰值降低了26.47%。MIL-100(Fe)处理材的总热释放量和总烟释放量降低，阻燃抑烟性能良好。MIL-100(Fe) 发挥凝聚相与气相阻燃作用。其分解过程中可释放不可燃气体稀释可燃气体浓度，同时利用多级孔结构吸附烟气。分解后形成的Fe3O4催化木材脱水反应生成致密的炭层，阻止热量和氧气的传递及可燃性挥发产物的释放。
结论本研究采用MIL-100(Fe)阻燃剂处理木材，有效提高了木材的热稳定性与阻燃抑烟性能，丰富了现有木材阻燃体系。
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关键词:
- 木材阻燃 /
- 速生杨木 /
- 原位合成 /
- 金属有机框架材料(MOF)
Abstract:ObjectiveIn order to improve the flame retardant and smoke suppression performance of wood, metal organic framework material (MOF) was used as a new flame retardant and MIL-100(Fe) was used to treat wood to prepare a green and environmentally friendly flame retardant material, aiming to provide a new idea for wood flame retardant.
MethodUsing MIL-100(Fe) as flame retardant, MIL-100(Fe) was synthesized in situ in wood by atmospheric pressure immersion (W-JP group) and vacuum immersion (W-JZ group). Scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) were used to analyze the morphology and structure of MIL-100 (Fe) treated wood. Nitrogen adsorption method was used to characterize the pore structure of MIL-100 (Fe) treated wood. The limiting oxygen index, thermogravimetric test and cone calorimetry test were used to evaluate the thermal stability and flame retardant and smoke suppression performance of MIL-100 (Fe) treated wood. Finally, SEM and FTIR were used to characterize the morphology and structure of the carbon residue and analyze the mechanism.
ResultMIL-100(Fe) could be synthesized in situ in wood by both treatment methods, and more MIL-100(Fe) precursor solution in the W-JZ group entered the wood and crystallized with a mass gain rate of 24.36%, resulting in a more complete and uniform crystal structure and smaller size. MIL-100 (Fe) treated wood showed good thermal stability, and the carbon residue rate of the W-JZ group increased by 39.99% and the peak thermal mass loss rate decreased by 26.47%. The total heat release and total smoke release of MIL-100 (Fe) treated wood were reduced, and the flame retardant and smoke suppression performance was good. MIL-100(Fe) exerted the synergistic effect of gas phase and condensed phase flame retardant. In the process of decomposition, it released non-combustible gases to dilute the concentration of combustible gases, and at the same time adsorbed the smoke by utilizing the multi-stage pore structure. The Fe3O4 formed after decomposition catalyzed the dehydration reaction of wood to form a dense charcoal layer, which prevented the transfer of heat and oxygen and the release of flammable volatile products.
ConclusionIn this study, MIL-100 (Fe) treated wood is successfully prepared by in-situ synthesis method, which effectively improves the thermal stability and flame retardant and smoke suppression properties of wood, and enriches the existing wood flame retardant system.
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干旱是限制我国北方干旱半干旱气候区植被建设的最主要环境因素之一[1]。干旱引起植物细胞原生质脱水、膜脂过氧化和膜结构被破坏，细胞发生机械损伤，进而导致植物生长受抑制，甚至发生萎蔫死亡，因此，对植物抗旱性的评价和品种筛选是干旱地区植物引种栽培的必要技术环节。国内外针对植物抗旱性，从表型特征、光合生理过程、抗氧化酶系统、渗透调节和激素调节等多方面开展了研究[2-6]，并总结出了抗旱性评价指标体系、量级方法和标准。然而，植物的抗旱机制在不同干旱程度下具有差异化表现[7] ，研究表明[8]在轻中度干旱下，光合作用相关基因的表达量上调以维持较高光合速率，但在重度干旱下，该调节机制不再发生，而是转变为以渗透调节或提升抗氧化系统活性为主的抗旱机制。因此，对不同程度干旱胁迫下植物多性状的综合监测，是全面掌握植物抗逆机制、实现客观抗逆评价的基础，也能为我国西北干旱、半干旱区生态建设的植物种筛选提供理论依据和技术支撑。
油莎豆（Cyperus esculentus var. sativus
）又名油莎草，为莎草科一年生草本油料作物，原产于非洲东北部，在我国新疆一带也有少量分布，因其具有防风固沙及土壤培肥[9]的作用，已经成为脆弱生态系统恢复中的选用物种，并在我国干旱、半干旱荒漠化地区开始种植。然而，现阶段关于油莎豆对干旱逆境胁迫的响应及适应性机制研究不足[10]，这直接制约了油莎豆在该区域的引种和栽培管理。 故本研究通过模拟不同土壤干旱程度，监测油莎豆在各干旱程度下的表型生长和光合生理参数，对其进行抗旱性综合评价；分析不同程度下抗氧化酶活性系统调节、渗透调节和激素调节的权衡响应，以揭示其抗旱机制，为油莎豆在北方的引种种植提供理论依据。
1. 研究区概况
本研究在北京林业大学水土保持学院宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测站进行，该观测站位于我国半干旱地区毛乌素沙地西南缘的宁夏盐池县（37°52′N，107°22′E），该区域年均气温7.77 ℃，无霜期140 d，≥ 10 ℃的年均积温为2944.9 ℃；年均降水量约为292 mm；年均潜在蒸发量为2024 mm，约为年均降水量的7倍。土壤类型是风沙土。植被类型以荒漠草原植被为主体，主要建群种有油蒿（Artemisia ordosica）、杨柴（Hedysarum mongolicum）、沙柳（Salix psammophila）等灌木物种，以及沙生针茅（Stipa glareosa）、赖草（Leymus secalinus）等禾草类物种。
2. 材料与方法
2.1 试验材料与试验设计
2020年5月底在宁夏盐池毛乌素沙地进行穴盘播种。将油莎豆种子播种于盛有沙土的穴盘中，每穴播种1粒，待出苗15 d后移植到直径35 cm、高40 cm花盆中，每盆1株。缓苗10 d后，选取长势一致的幼苗作为供试材料进行干旱胁迫处理。
通过控制土壤含水率来模拟不同干旱胁迫程度。按照土壤水势从田间持水率（水势为0 MPa）到萎蔫系数（水势为−0.5 MPa）均匀划分为4个等级。经测定可知，本研究区风沙土土壤田间持水率为（12.0 ± 0.4）%，土壤水势−0.5 MPa时对应的土壤质量含水率为1.9%，故干旱胁迫试验设置正常供水（CK）、轻度干旱（LD）、中度干旱（MD）和重度干旱（SD）4个处理区间，其土壤含水量分别控制在 > 12%、8% ~ 12%、5% ~ 8%和 < 5%。向各盆加水使盆内土壤含水量达到处理水平并记录质量，之后每间隔1 d用电子秤（精度0.005 kg）称量并记录各桶质量，补充水分至各个处理水平的土壤水分含量，处理期间除桶内土壤水分处理之外其他管理一致。试验采用完全随机设计，每个水平设置20盆重复，分别用于表型生长指标、光合生理参数和抗逆生理生化指标测定。胁迫处理2周后进行光合生理参数和抗逆生化指标测定。待9月植株完全成熟结实后，挖取整株，获取表型生长和生物量数据。
2.2 指标测定
2.2.1 表型生长指标
每个处理随机选取6株重复进行生长指标测定。用刻度尺测量株高（沙面以上为株高）和冠幅，并统计分蘖数和果实数。之后将整株植物取出，将地上和地下部分离，洗净后分别放入105 ℃的烘箱中杀青10 mins，80 ℃烘干至恒质量，称量得地上生物量与地下生物量。根据下列公式计算植株根冠比：
根冠比 = 地下生物量/地上生物量
2.2.2 光合生理指标
选择晴朗无风日，于10:00—14:00进行光合生理指标测定，每个处理随机选取3 ~ 5株的叶片作为重复，测定指标包括叶片蒸腾速率（Tr）、净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs），以上指标均采用LI-6400便携式光合测定仪（LI-COR, Lincoln, USA）测定。基于净光合速率和蒸腾速率值，计算叶片尺度的水分利用效率（WUE），具体公式如下：
WUE=Pn/Tr 另取3 ~ 5株收获其叶片，采用由德国IBL公司提供的试剂盒方法测定叶片PEP羧化酶活性[11]。
2.2.3 抗逆调节生化指标
每个处理随机取3 ~ 5株作为重复，分别获取叶片和根系样品进行抗氧化酶系统、渗透调节、激素调节相关指标的测定。
采用愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性，采用碘液滴定法测定抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性。
采用高效液相色谱法（HPLC）测定渗透调节物质甜菜碱（GB）含量。
采用酶联免疫法（ELISA）测定激素调节物质脱落酸（ABA）含量[12]。
2.3 油莎豆抗旱性分析
植物的抗旱性评价不仅和抗旱鉴定指标的选取有关[13]，还和与这些指标之间密切程度有关。因此本文采用灰色关联度分析和隶属函数分析的方法[14-16]计算参试材料的综合抗旱能力，具体方法如下：
D=n∑j=1[μ(Xj)⋅|rj|/n∑j=1|rj|]，(j=1,2,3,⋯,n) (1) μ(Xj)=Xj−Xjmin (2) \mu ({X_j}) = 1 - \dfrac{{{X_j} - {X_{j\min }}}}{{{X_{j\max }} - {X_{j\min }}}} (3) 式中：D值为参试材料利用综合生理指标体系评价所得的抗旱性度量值；rj为参试材料第j个指标权重，该值的获取采用灰色关联分析法计算得到，rj值越大，表示指标与抗旱性关系越紧密；μ(Xj)为第j个指标的隶属函数值，若指标和抗旱性呈正相关，则采用（2）式计算，若负相关，则采用（3）式计算；X j为第j个的指标测定值，X jmin和X jmax分别为第j个指标的最小值和最大值。
2.4 数据处理
采用SPSS 22.0软件进行数据处理，对不同胁迫水平的油莎豆生长指标、光合参数和抗逆生化指标进行单因素方差分析（one-way ANOVA），LSD法进行多重检验，显著性水平为P < 0.05；采用Origin 2019制图。
3. 结果与分析
3.1 干旱胁迫下油莎豆表型生长特征的变化
随干旱程度加剧，油莎豆的株高逐渐下降，在重度胁迫下达到24.6 cm，相比对照组下降约21.7%；在干旱胁迫下，冠幅显著低于对照组（P < 0.05），在中度胁迫下达到最小值0.10 m2（图1a）。果实数在中度干旱胁迫下达到最小值15.0个，为对照组的44.2%（图1b）；分蘖数在重度干旱胁迫下达到最小值2.4个，为对照组的24.2%。该结果表明，干旱胁迫对油莎豆的表型生长产生了显著影响（P < 0.05），使油莎豆趋于矮小和低结实量。
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图 1 不同干旱胁迫梯度对油莎豆表型生长特征的影响CK.对照；LD.轻度干旱；MD.中度干旱；SD.重度干旱。不同字母代表不同干旱处理间具有显著差异（P < 0.05）。下同。CK, control; LD, light drought; MD, moderate drought; SD, severe drought. Different letters represent significant differences between varied drought treatments (P < 0.05). The same below.Figure 1. Effects of different drought stress gradients on the growth of C. esculentus var. sativus3.2 干旱胁迫对油莎豆生物量积累及分配的影响
随干旱胁迫加剧，油莎豆的地上生物量和地下生物量逐渐降低，与对照组差异显著（P < 0.05）；油莎豆根冠比逐渐升高，在重度胁迫下达到最大值244.7%。由此可见，干旱胁迫下，油莎豆通过调整生物量分配，增加根冠比从而保持高吸水效率，以适应和缓解干旱造成的水分亏缺（图2）。
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图 2 不同干旱胁迫梯度对油莎豆生物量积累和分配的影响Figure 2. Effects of different drought stress gradients on biomass accumulation and distribution of C. esculentus var. sativus3.3 干旱胁迫对油莎豆光合生理特性的影响
随干旱胁迫程度加剧，油莎豆的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及水分利用效率均呈先升高后降低的趋势（图3）。在轻度干旱胁迫下，各指标均达到最大值，且与对照组差异显著（P < 0.05），分别为对照组的1.9、1.2、1.3和1.4倍。由此可以推断，土壤含水率8% ~ 12%的轻度胁迫下，油莎豆光合生理活性最强，即适度的干旱胁迫对油莎豆光合生理起促进作用，可以提高光合速率，增加水分利用效率。
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图 3 不同干旱胁迫梯度对油莎豆光合生理指标的影响Figure 3. Effects of different drought stress gradients on photosynthetic physiologic characteristics of C. esculentus var. sativus3.4 油莎豆抗逆生化机制对干旱胁迫的响应
图4反映了油莎豆酶系统对干旱胁迫的响应。在根系中，APX酶在轻度胁迫下显著升高（P < 0.05）并达到最大值，比对照组高出44.4%，之后随干旱程度加剧而持续缓慢下降（图4a）；POD酶活性随干旱程度加剧而持续上升（图4b），在重度胁迫下达到最大值，比对照组高出58.3%（P < 0.05）。在叶片中，APX酶和POD酶的活性随干旱程度加剧呈现波动上升的趋势，并均在重度胁迫下达到最高值，分别比对照组高出64.1%和52.3%（P < 0.05）。该结果表明，干旱胁迫激发了根系和叶片中的APX和POD抗氧化酶的活性，以减少活性氧对植物的伤害。
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图 4 不同干旱胁迫梯度下油莎豆酶系统活性变化Figure 4. Changes of enzyme system activity in C. esculentus var. sativus under different drought stress gradients根系PEP羧化酶活性随干旱胁迫加剧呈先升高后降低趋势（图4c），在中度胁迫达到最大值，为对照组的1.4倍（P < 0.05），即适度干旱胁迫下，油莎豆通过增大PEP羧化酶活性维持光合速率，而重度胁迫下，该酶调节能力下降。
图5反映了干旱胁迫下油莎豆渗透调节物质甜菜碱的变化水平。叶片中的甜菜碱含量在轻度胁迫下显著上升且达到最大值，在中度和重度干旱胁迫下显著下降；根系中甜菜碱含量随干旱胁迫的加剧持续升高，并在重度胁迫下达到峰值。
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图 5 不同干旱胁迫梯度下油莎豆甜菜碱含量的变化Figure 5. Changes of glycine betaine content of C. esculentus var. sativus under different drought stress gradients图6反映了干旱胁迫下油莎豆激素调节物质ABA的变化水平。根系和叶片中的ABA含量均在轻度胁迫下达到最大值，与对照组差异显著（P < 0.05），之后在中度和重度胁迫下降低。根系中的ABA含量在各个胁迫梯度间变异度大于叶片，表明根系中干旱的激素调节比叶片更为敏感。
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图 6 不同干旱胁迫梯度下油莎豆脱落酸ABA含量的变化Figure 6. Changes of abscisic acid (ABA) content of C. esculentus var. sativus under different drought stress gradients3.5 油莎豆抗旱性综合评价
表1为油莎豆抗旱性灰色关联度分析结果，综合植物生化指标、光合生理指标和生长各项指标评价，得到油莎豆的抗旱性度量值为0.468。
表 1 油莎豆抗旱性灰色关联度分析结果Table 1. Grey correlation analysis of drought resistance of C. esculentus var. sativus指标
Index灰色关联度系数
Grey correlation coefficient隶属函数值
Membership function value指标权重
Index weight抗逆生化指标
Stress resistant biochemical index酶系统
Enzyme system根系
Root抗坏血酸过氧化物酶
Ascorbate peroxidase0.646 0.818 0.044 过氧化物酶
Peroxidase0.647 0.733 0.044 PEP羧化酶
PEP carboxylase0.679 0.483 0.046 叶片
Leaf抗坏血酸过氧化物酶
Ascorbate peroxidase0.647 0.733 0.044 过氧化物酶
Peroxidase0.635 0.826 0.043 PEP羧化酶
PEP carboxylase0.869 0.080 0.059 渗透调节
Osmotic regulation根系
Root0.573 0.747 0.039 叶片
Leaf0.614 0.521 0.042 激素调节
Hormone regulation根系
Root0.652 0.678 0.044 叶片
Leaf0.719 0.824 0.049 光合生理指标
Photosynthetic physiological index净光合速率
Net photosynthetic rate0.643 0.419 0.044 气孔导度
Stomatal conductance0.810 0.645 0.055 蒸腾速率
Transpiration rate0.727 0.637 0.049
WUE0.664 0.705 0.045 表型生长特征指标
Growth characteristic index株高
Plant height0.840 0.883 0.057 冠幅
Crown width0.911 0.708 0.062 分蘖数
Tiller number0.837 0.686 0.057 果实数
Tuber number0.880 0.807 0.060 生物量及分配
Biomass and distribution地下生物量
Belowground biomass0.782 0.429 0.053 地上生物量
Aboveground biomass0.873 0.362 0.059 综合抗旱性度量值
Comprehensive drought resistance value0.468 4. 讨 论
4.1 干早胁迫对油莎豆生长特征和光合生理的影响
干旱条件下，植物会通过调整表型特征、改变不同器官的生物量积累及分配[17]以最大化利用土壤水分，实现个体的生存，如增加根冠比[18]、减少叶面积等。本研究中，油莎豆通过增加地下生物量，提升根冠比从而保持较高的吸水速率，以抵御干旱；同时干旱胁迫显著减小了冠幅、果实数和分蘖数，表明油莎豆通过减少耗水途径以提高抗旱能力，这与前人研究规律一致。
光合作用是植物物质积累和能量转化的重要生理过程，能直接反映植物对逆境的适应程度[19]。本研究结果表明，油莎豆的Pn、Tr、WUE和Gs在轻度胁迫下达到最大值，而在中度和重度胁迫下降低且显著低于对照组。裴斌等[20]对沙棘叶片的Pn、Tr和WUE的研究结果与本研究一致，这说明适当的水分胁迫可以提升植物的水分利用效率，有利于植物进行光合作用进而提升产量；但如果土壤水分持续降低，植物的生理过程会受到负面影响。基于该规律，本研究认为，沙土土壤含水率8% ~ 12%是油莎豆生长的最优水分环境。鉴于研究区毛乌素沙地表层土壤含水率多稳定在5%以下[21]，故我们还需进一步增加大田试验以探究该地区是否能够实现油莎豆成功引种栽培。
4.2 油莎豆抵御干旱胁迫的生化机制
植物抵御逆境的生理生化机制主要包括激素调节、渗透物质调节和抗氧化系统3类。在渗透调节方面，植物通过合成和积累可溶性糖、游离氨基酸、脯氨酸等各种物质以提高细胞液浓度、降低渗透势，从而保持细胞结构和功能的稳定[5]。本研究中，随干旱胁迫加剧，油莎豆根系和叶片中甜菜碱含量呈现波动上升的趋势，实现了维持渗透平衡、减少细胞结构性失水的功能；然而，根系和叶片中甜菜碱含量变化趋势不同，根系甜菜碱含量随干旱胁迫加剧不断升高，叶片甜菜碱在轻度胁迫下达到峰值。这种叶片和根系的差异响应在鸭茅（Dactylis glomerata）[22]、羊草（Leymus chinensis）[23]、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）[24]和马尾松（Pinus massoniana）[25]等植物的研究中也有证明，这是植物为达到整体的内稳态平衡而表现出的器官间权衡策略。
抗氧化酶活性的提升有利于提升植物的抗旱性[26-28]。本研究中，干旱胁迫引发抗氧化酶活性显著升高，表明胁迫激发了油莎豆抗氧化酶系统活性以抵御干旱。根系中PEP羧化酶活性在干旱胁迫下显著升高且在中度胁迫到达峰值，可以推断在中轻度胁迫下，光合碳同化过程仍具有一定的调节能力，但过高的胁迫程度使得光合酶调节能力失效，这也进一步印证了光合生理指标所表现出的规律（图3）。
ABA激素在植物响应干旱胁迫的过程中发挥关键作用。ABA能通过促进气孔关闭和调控基因表达[28-29]提升植物抗旱性，同时还可以通过提高吸收光能性能指数[30]、光系统的有效量子产率[31]和叶绿素含量[32]等途径提高叶片净光合速率，进而维持较高的生产力[33-34]。本研究中油莎豆根系和叶片中的ABA激素含量在干旱胁迫下显著高于对照，且在轻度干旱胁迫下，ABA激素含量和光合速率同步达到最大值，说明油莎豆启动了激素调节途径提升了油莎豆的抗旱性，同时维持了较高光合能力。张海燕[2]等试验研究证明，干旱胁迫能提高甘薯块茎和叶片中ABA含量，与本研究规律一致。但随着胁迫加剧，油莎豆ABA激素含量有下降趋势，说明重度胁迫导致油莎豆应对干旱的脱落酸调节机制受损。
由此可知，油莎豆对轻度和中度干旱胁迫具有一定耐受性，可以通过启动多种抗逆机制抵御干旱，然而重度干旱则会对植物产生伤害，影响其生理生化代谢过程，抑制其生长。
4.3 油莎豆抗旱性综合评价
本研究结果表明，油莎豆综合抗旱性度量值为0.468，借鉴玉米（Zea mays）[35]、大麦（Hordeum vulgare）[16]、薏苡（Coix lacryma-jobi）[36]、青稞（Hordeum vulgare var. coeleste）[37]、油菜（Brassica napus）[38]等作物的抗旱定级标准，油莎豆属于中等抗旱型作物。
5. 结 论
油莎豆属于中等抗旱性植物，沙土土壤含水率8% ~ 12%是油莎豆表型生长、生物量积累和维持光合生理活性的最优水分环境。在沙土土壤含水率5% ~ 12%的轻度和中度干旱胁迫下，油莎豆可以通过启动渗透调节、抗氧化酶系统和激素分泌等多种生化机制抵御干旱，然而不同干旱胁迫程度下各抗逆生化机制调节能力发生改变，且油莎豆根系和叶片对干旱胁迫的响应具有差异性。土壤含水率5%以下的重度干旱则会抑制植物生长，抗旱机制失去作用，生产力下降。因此，在沙区引种该作物时，需要配备一定的灌溉条件，以调控土壤含水量保证油莎豆的长势。
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图 1 W-JP-48、W-JP-72和 W-JZ的质量增长率
W-JP-48为常压浸泡48 h材，W-JP-72为常压浸泡72 h材，W-JZ为真空加压浸渍材。W-JP-48 is 48 h-atmospheric pressure immersion wood, W-JP-72 is 72 h-atmospheric pressure immersion, and W-JZ is vacuum pressurized impregnation wood.
Figure 1. Mass gain rate of W-JP-48, W-JP-72, W-JZ
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图 2 未处理材（a ~ d）、W-JP-48（表面e ~ f、内部g ~ h）、W-JP-72（表面i ~ j、内部k ~ l）、W-JZ（表面m ~ n、内部o ~ p）的扫描电镜图以及W-JP-48（q）、W-JP-72（r）、W-JZ（s）内部的能谱元素图
Figure 2. SEM images of untreated wood (a-d), W-JP-48 (surface: e and f, interior: g and h), W-JP-72 (surface: i and j, interior: k and l) and W-JZ (surface: m and n, interior: o and p) and the EDS elemental mapping analysi of W-JP-48 (q), W-JP-72(r), W-JZ (s)
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图 3 未处理材、MIL-100（Fe）、W-JP-48、W-JP-72和 W-JZ的X射线衍射图（a）以及傅里叶红外光谱图（b）
Figure 3. X-ray diffraction patterns (a) and FTIR patterns (b) of untreated wood, MIL-100 (Fe), W-JP-48, W-JP-72 and W-JZ
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图 4 未处理材、W-JP-48、W-JP-72和 W-JZ的N2吸附–脱附等温曲线
Figure 4. N2 adsorption-desorption isotherms curves of untreated wood, W-JP-48, W-JP-72 and W-JZ
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图 5 未处理材、W-JP-48、W-JP-72和 W-JZ的热重（a）和微分热重曲线（b）
Figure 5. TG (a) and DTG (b) curves of untreated wood, W-JP-48, W-JP-72 and W-JZ
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图 6 未处理材、W-JP-48、W-JP-72和 W-JZ的极限氧指数
Figure 6. Limiting oxygen index of untreated wood, W-JP-48, W-JP-72 and W-JZ
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图 7 未处理材、W-JP-48、W-JP-72和 W-JZ的总热释放量（a）与热释放速率曲线（b）
Figure 7. Total heat release (a) and heat release rate (b) of untreated wood, W-JP-48, W-JP-72 and W-JZ
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图 8 未处理材、W-JP-48、W-JP-72和 W-JZ的总烟释放量（a）与烟释放速率曲线（b）
Figure 8. Total smoke release (a) and smoke release rate (b) of untreated wood, W-JP-48, W-JP-72 and W-JZ
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图 9 未处理材（a、f、g）、W-JP-48（b、h、i、n）、W-JP-72（c、j、k、o）和W-JZ（d、l、m、p）的残炭宏观、微观形貌及红外谱图（e）
Figure 9. Macroscopic and microscopic appearances of the char residue from untreated wood (a, f, g), W-JP-48 (b, h, i, n), W-JP-72 (c, j, k, o), W-JZ (d, l, m, p) and FTIR patterns (e)
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图 10 MIL-100（Fe）处理材的阻燃机理示意图
Figure 10. Schematic diagram of flame retardant mechanism of MIL-100(Fe) treated wood
表 1 未处理材、W-JP-48、W-JP-72、W-JZ的N2吸附结果
Table 1 N2 absorption results of untreated wood, W-JP-48,W-JP-72 and W-JZ
试样
SampleBET比表面积
BET specific surface
area/（m2·g−1）BJH法累积孔容
BJH cumulative
volume of pore/
（cm3·g−1）平均孔径
Average pore
diameter/nm未处理材
Untreated wood0.98 0.002 319 9.83 W-JP-48 62.20 0.019 594 2.32 W-JP-72 68.13 0.019 935 2.22 W-JZ 33.26 0.012 931 2.50 
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表 2 未处理材、W-JP-48、W-JP-72、W-JZ的热重分析结果
Table 2 TG and DTG analysis results of untreated wood, W-JP-48, W-JP-72 and W-JZ
试样
SampleT5%/℃ T10%/℃ Tmax/℃ Mmax/% 残炭率（800 ℃）
Carbon residue rate (800 ℃)/%残炭提高率
Residual carbon increase rate/%未处理材 Untreated wood 90.62 264.09 361.97 10.35 15.83 W-JP-48 79.23 245.27 337.62 10.84 19.78 24.95 W-JP-72 86.31 253.21 341.65 11.53 19.37 22.36 W-JZ 93.34 241.17 336.71 7.61 22.16 39.99 注：T5%、T10%、Tmax分别为试样质量损失5%、质量损失10%、质量损失速率最大时的温度，Mmax 为试样的最大质量损失率。Notes: T5%, T10%, Tmax, respectively represent the temperature of 5% masst loss, 10% mass loss and the maximum mass loss rate of the sample, and Mmax represent the maximum mass loss rate of the sample.
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表 3 未处理材、W-JP-48、W-JP-72和 W-JZ的总热释放值与热释放速率结果
Table 3 Total heat release and heat release rate results of untreated wood, W-JP-48, W-JP-72 and W-JZ
试样 Sample p1/(kW·m−2) t1/s p2/(kW·m−2) t2/s TH/(MJ·m−2) 未处理材 Untreated wood 258.920 15.00 290.542 225.00 65.943 W-JP-48 254.667 10.00 255.758 150.00 52.834 W-JP-72 268.669 10.00 247.081 180.00 49.306 W-JZ 205.699 20.00 235.992 270.00 55.594 注： p1为第一热释放速率峰值；t1为第一热释放速率峰值出现时间；p2为第二热释放速率峰值；t2为第二热释放速率峰值出现时间；TH为总热释放量。Notes: p1 is the first heat release rate peak, t1 is the time of the first heat release rate peak, p2 is the second heat release rate peak, t2 is the time of the second heat release rate peak, and TH is total heat release.
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表 4 未处理材、W-JP-48、W-JP-72和 W-JZ的热释放特性
Table 4 Heat release results of untreated wood, W-JP-48, W-JP-72 and W-JZ
试样
SampletTI/s FPI/(m2·s·kW−1 ) 平均有效燃烧热
Average effective heat of comb/(MJ·kg−1)质量损失率
Mass loss ratio/%平均质量损失速率
Average mass loss rate/(g·s−1·m−2)未处理材 Untreated wood 13.00 0.050 17.861 86.73 0.070 W-JP-48 9.00 0.035 15.323 83.11 0.041 W-JP-72 8.00 0.030 17.579 83.93 0.039 W-JZ 18.00 0.088 15.623 72.97 0.046 注：tTI为点火时间, FPI 为火灾指数。Notes: tTI is the time to ignition, and FPI is the fire performance index.
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表 5 未处理材与处理材的烟释放特性
Table 5 Smoke release characteristics of untreated wood, W-JP-48, W-JP-72 and W-JZ
试样 Sample TSR/(m2·m−2) TS250/m2 TSmax/m2 RSmax/（m2·s−1） 未处理材 Untreated wood 354.642 2.628 3.151 0.029 W-JP-48 254.235 2.219 2.237 0.018 W-JP-72 298.720 2.575 2.629 0.019 W-JZ 339.483 1.320 3.003 0.028 注：TSR为单位面积的总烟释放量；TS250为250 s时的总烟释放量；TSmax 为最大总烟释放量；RSmax为最大烟释放速率。Notes: TSR is total smoke release per surface area, TS250 is total smoke release at 250 s, TSmax is max. of total smoke release, and RSmax is max. of smoke production rate.
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