靳肖貝，張祿晟，李瑜瑤，溫旭雯，覃道春

（國際竹藤中心，北京100102）

重組竹是由竹束、竹篾等為構(gòu)成單元，經(jīng)順紋組 坯、膠合壓制而成的板方材，對竹材原料徑級要求低，并保持了竹材原有的纖維排列方向，具有原料來源廣、材料強度大、竹材利用率高等優(yōu)點，已被廣泛地應(yīng)用于建筑、裝修等領(lǐng)域［1-2］。但是，竹質(zhì)材料屬于可燃材料，在使用過程中存在火災(zāi)隱患［3-4］。目前，我國公安部消防部門已經(jīng)制定并實施了GB 20286-2006和GB 8624-2006等強制性國家標(biāo)準(zhǔn)，對建筑材料及室內(nèi)裝飾裝修材料的燃燒性能有著嚴(yán)格的規(guī)定。因此，重組竹要想提高自身利用價值，拓展應(yīng)用范圍和獲得建材市場認(rèn)可，必須進行阻燃處理，并達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

目前，國內(nèi)外對竹基復(fù)合材料的防火阻燃研究才剛剛起步，對重組竹阻燃研究更少。劉姝君［5］等利用聚磷酸銨處理竹基復(fù)合材料后，其燃燒性能有所改善，力學(xué)強度略有降低；高黎［6］等通過在聚磷酸銨加入6%硼酸與硼砂（1∶1）混合物處理竹篾層積材，獲得了較好的耐火性能。相關(guān)研究表明，含有磷、氮、硼等元素的阻燃劑一般具有良好的阻燃性能，且對環(huán)境危害小，處理成本低［7-8］。因此，本研究選用磷酸二氫銨、聚磷酸銨、硼硼合劑3種阻燃劑浸泡處理竹束，然后制成阻燃重組竹，采用錐形量熱儀法對其燃燒性能進行了測試，同時研究了阻燃劑對重組竹相關(guān)物理力學(xué)性能的影響，旨在掌握磷酸銨鹽和硼化物阻燃劑的特點，為開發(fā)適用于重組竹的阻燃處理技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 竹束 采自四川省邛崍市的3～4年生慈竹，經(jīng)疏解、碾壓后制成長300mm、寬15～20mm、厚2～4mm橫向不斷裂、縱向較松散的竹絲束。

1.1.2 阻燃劑 1）硼硼合劑（SBX）：由硼酸與硼砂以質(zhì)量比為1∶1混合成的水溶液，所用硼酸與硼砂均為無色晶體，市售，化學(xué)純；2）磷酸二氫銨（MAP）：白色晶體，市售，化學(xué)純；3）聚磷酸銨（APP）：白色晶體，聚合度＜20，易溶于水，市售，工業(yè)級。

1.1.3 膠粘劑 由北京太爾化工公司生產(chǎn)的16L510型酚醛樹脂膠，紅棕色液體無雜質(zhì)，粘度60～110mPa·s（30℃），pH 值10.5，固體含量47.5%，使用時調(diào)節(jié)固含量為15%。

1.2 板材制備方法

制板工藝過程為：竹絲束→干燥→浸漬阻燃劑→干燥→涂膠→干燥→組坯→熱壓。

將干燥至含水率10%左右的竹絲束分組稱重，放入濃度為20%的3種阻燃劑溶液中，用重物壓至液面以下，常溫常壓浸漬到所需載藥量后，擺放于晾曬架，室溫下干燥到含水率為10%。前人研究表明，磷氮系阻燃劑用量15%時，阻燃劑與酚醛膠相容性好，且能使板材獲得較好的力學(xué)和阻燃性能［9］，因此控制竹絲束的阻燃劑浸漬量為15%。為避免浸膠導(dǎo)致阻燃劑流失，采用手工涂膠方式，施膠量12%（絕干竹絲束質(zhì)量基準(zhǔn)），自然晾干到含水率為8%，將竹束手工鋪裝后熱壓成板。設(shè)定板材目標(biāo)密度1.0g·cm-3，板材規(guī)格300mm×140mm×12.5mm（長×寬×厚），熱壓壓力4.0MPa，時間15min，溫度150℃。每一試驗條件重復(fù)制板3張，并在相同工藝下制作不含阻燃劑的素板3張作對照樣。

1.3 板材性能測試方法

1.3.1 燃燒性能 參照ISO 5660-1：2002（E）“Reaction to fire tests-Heat release，smoke production and mass loss rate-Part l：Heat release rate（cone calorimeter method）”，采用英國 FTT 標(biāo)準(zhǔn)型錐形量熱儀，在熱輻射強度為35kW·m-2，溫度725℃，時間為1 400s的條件下，測試重組竹素材和處理材試樣的引燃時間（TTI）、熱釋放速率（HRR）、熱釋放總量（THR）、煙產(chǎn)生速率（SPR）和發(fā)煙總量（TSP）。

1.3.2 物理力學(xué)性能 參照GB／T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，采用萬能力學(xué)試驗機（美國INSTRON 5800）等儀器測試重組竹素材和處理材試樣的密度、靜曲強度（MOR）、彈性模量（MOE）、24h吸水厚度膨脹率（TS24h）。

2 結(jié)果與分析

2.1 燃燒性能

不同阻燃劑處理的重組竹試樣的燃燒性能測試結(jié)果列于表1。

2.1.1 引燃時間（TTI） 通常條件下，引燃時間越長，表明材料越不易點燃，火災(zāi)危險性越小。從表1可以看出，經(jīng)阻燃劑處理后，重組竹的引燃時間明顯延長，其中APP處理材的引燃時間最長，為未處理材的3倍，SBX處理材最短，為未處理材的1.3倍。這是由于磷酸銨鹽能在高溫條件下分解產(chǎn)生玻璃層狀殘留物覆蓋在板材表面，阻止空氣與可燃物的接觸，同時磷酸銨鹽產(chǎn)生的氨氣和水蒸氣也能阻止燃燒［10］?？傮w來看，APP和MAP抑制點燃作用效果優(yōu)于SBX，這與吳玉章［7，19］的研究結(jié)果相一致。

2.1.2 熱釋放速率（HRR）和熱釋放總量（THR） 熱釋放速率是表征火災(zāi)強度的重要參數(shù)，也稱為火強度［11］。熱釋放速率峰值越大，單位時間內(nèi)燃燒反饋給材料單位面積的熱量就越多，材料的熱解加快、揮發(fā)性可燃物生成量增加，從而加速火焰?zhèn)鞑?。因此，熱釋放速率或者熱釋放峰值越高，材料在火?zāi)中的危險性越大［12］。

表1 不同阻燃劑處理重組竹的燃燒性能Table 1 Cone calorimeter test data of bamboo scrimber treated with different flame retardants

圖1 阻燃處理重組竹的釋熱情況Fig.1 Heat release of bamboo scrimber treated with flame retardants

圖1顯示了3種阻燃劑處理重組竹的熱釋放速率和熱釋放總量的變化過程。由圖1可見，阻燃處理后，重組竹的熱釋放速率都明顯降低，2個釋熱峰明顯減弱。其中，3種阻燃劑處理試樣的第1個釋熱峰出現(xiàn)時間，較未處理材試樣延后1.6～2倍，峰值降低了40.69%～51.27%。SBX和APP處理試樣的第2個釋熱峰出現(xiàn)時間比未處理材分別延長了260、270s，峰值降低了55.40%、61.14%，MAP處理試樣燃燒緩慢，沒有出現(xiàn)第2個釋熱峰，這對板材阻燃具有重大意義。高黎［6］等用聚磷酸銨阻燃處理竹篾層積材獲得的第2個釋熱峰峰值為196kW·m-2，比本研究的略高，可能的原因是本研究采用的竹絲束比竹篾更為疏松、細(xì)密，浸泡后的載藥量更高，阻燃性能也更好。

由表1和圖1可看出，阻燃處理重組竹試樣的熱釋放總量相比未處理材均明顯大幅降低，這與熱釋放速率變化規(guī)律一致。3種阻燃處理重組竹的熱釋放總量比未處理材下降了53.58%～62.38%，MAP和APP阻燃試樣的熱釋放總量略低于SBX阻燃試樣。3種阻燃劑均具有較好的阻燃效果，磷酸銨鹽分解釋放出的氨對火焰起到均相負(fù)催化作用，促進竹材表面炭化，這種炭化層可以減緩燃燒過程，降低火焰溫度，起到冷卻和降溫的作用［13-15］；SBX受熱釋放出結(jié)晶水吸收大量的熱，使材料的升溫受到抑制，起到阻燃作用［16］。從釋熱速度和釋熱總量綜合來看，抑制重組竹燃燒的效果順序為：MAP＞APP＞SBX。

2.1.3 煙產(chǎn)生速率（SPR）和發(fā)煙總量（TSP） 材料的發(fā)煙量是評價材料燃燒性能等級的重要參數(shù)。在火災(zāi)發(fā)生時，大約80%以上的死亡者是由于煙氣影響而致死的，同時煙氣的釋放使環(huán)境能見度降低，給人們快速逃離現(xiàn)場，消防部門判斷和控制火勢帶來困難，從而增加火災(zāi)傷亡。所以，研究材料的發(fā)煙性能有極其重要的意義［17］。重組竹的發(fā)煙測試結(jié)果如圖2所示，未處理材和阻燃處理材的煙產(chǎn)生速率曲線都形成了典型的2個波峰，煙產(chǎn)生速率與熱釋放速率的變化規(guī)律基本同步，說明絕大部分煙氣是在有焰燃燒階段產(chǎn)生的［18］，與未處理材相比，阻燃重組竹在燃燒的不同階段，煙氣產(chǎn)生速率明顯減小，煙氣危害降低。

由表1和圖2可見，SBX處理材雖然最先產(chǎn)生煙氣，但煙生成速率小，發(fā)煙總量增加非常緩慢，最終只有0.64m2，比未處理材的發(fā)煙總量降低了88%，抑煙效果非常理想。這是因為硼化物受熱形成玻璃狀涂膜覆在聚合物表面，起到隔熱隔氧作用，且硼化物沒有脫水炭化作用，不會增加炭微粒，故煙密度不會增加［19］。MAP處理板材的煙生成總量為6.37m2，比未處理材的發(fā)煙總量增加了22%，抑煙作用不理想，這是由于磷酸銨鹽脫水炭化作用導(dǎo)致炭微粒增加，煙密度隨之增加。但其煙產(chǎn)生速率的第2個峰值比未處理材降低35%，說明MAP能降低最大發(fā)煙速率。APP處理材發(fā)煙量和產(chǎn)煙速率與未處理材相比均大幅降低，這是因為APP在受熱分解過程中，可以促使板材快速炭化，縮短有焰燃燒時間，從而減少了發(fā)煙總量，降低了煙產(chǎn)生速率［20］。

圖2 阻燃處理重組竹的抑煙效果Fig.2 Rate and total smoke production of bamboo scrimber treated with flame retardants

2.2 物理力學(xué)性能

阻燃處理在賦予產(chǎn)品阻燃效力的同時，還應(yīng)該考慮對材料物理力學(xué)性能的影響。阻燃處理前后重組竹試樣的物理力學(xué)性能測試結(jié)果列于表2。

從表2可知，阻燃處理材主要物理力學(xué)性能指標(biāo)比未處理材有所降低，彈性模量和靜曲強度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《重組竹》要求的210Eb級別的優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)。其中，MAP和SBX處理對重組竹的力學(xué)性能影響較小，SBX處理材的MOE下降3.72%，MOR下降7.37%；MAP處理材的MOE下降0.78%，MOR下降6.14%；APP處理對重組竹的力學(xué)性能影響較大，MOE下降7.96%，MOR下降16.72%。原因在于阻燃劑的存在影響了膠粘劑的固化，阻燃處理后竹絲束纖維脆性增大，另外阻燃劑受熱分解產(chǎn)生的氣體在板材內(nèi)部形成高壓，也對重組竹密度和力學(xué)性能有一定影響［6］。

表2 不同阻燃劑處理重組竹的物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of bamboo scrimber treated with flame retardants

添加阻燃劑后，重組竹的吸水厚度膨脹率明顯增大，其中MAP和APP的影響較大，為素板的7倍左右，其原因在于阻燃劑的加入影響了竹絲束之間的膠合，并且這2種阻燃劑具有氨基位親水基團，增加了材料的吸濕性［21］。

3 結(jié)論

3種阻燃劑均能有效降低重組竹的熱釋放速率和熱釋放總量，并延長點燃時間，抑制重組竹燃燒的效果：MAP＞APP＞SBX。

APP和SBX在減少發(fā)煙量和降低產(chǎn)煙速率方面表現(xiàn)優(yōu)異，MAP抑煙作用不理想，發(fā)煙總量大于未處理材。

阻燃處理會降低重組竹的物理力學(xué)性能，其中APP對重組竹的力學(xué)性能影響較大。3種阻燃劑均顯著增加了重組竹的吸水厚度膨脹率，影響程度：APP＞MAP＞SBX。

總體看來，3種阻燃劑均能夠不同程度地改善重組竹的阻燃和抑煙性能，但是如何實現(xiàn)阻燃與抑煙的統(tǒng)一，以及如何改善材料吸水厚度膨脹率還需要做進一步的研究。

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