劉迎濤，葛 亞，陳 沖

(1.東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.江蘇吉福新材料股份有限公司，江蘇 泗陽 223700)

人造板表面裝飾加工，是人造板產(chǎn)品直接增加附加值的重要手段，也是保護(hù)森林資源和發(fā)展木材綜合利用的具體措施。浸漬膠膜紙飾面人造板是以刨花板、纖維板等人造板為基材，以浸漬三聚氰胺等樹脂的膠膜紙為飾面材料制成的人造板材，被廣泛應(yīng)用于家具及裝飾裝修等領(lǐng)域[1]。但人造板的易燃性給人的生命和財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重的危害，據(jù)分析21%的火災(zāi)由木材等纖維材料引起，而住宅火災(zāi)70%是因木質(zhì)材料缺乏難燃性而引起的[2-3]。采用阻燃制品防止人身傷害和惡性火災(zāi)事故的發(fā)生是世界各國經(jīng)過多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，并被證明為行之有效的防火保護(hù)措施之一，美國、日本、加拿大等國家很早就制定了相關(guān)的阻燃法規(guī)[4]。在我國，公安部于1986年頒布的《高層建筑消防管理規(guī)則》第14條明確規(guī)定，高層建筑的高級賓館、飯店和醫(yī)院病房的室內(nèi)裝修，應(yīng)當(dāng)采用非燃或難燃材料。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 20286-2006《公共場所阻燃制品及組件燃燒性能要求和標(biāo)識》規(guī)定公共場所使用的建筑材料和制品都必須進(jìn)行阻燃處理，且阻燃處理的建筑材料和制品的燃燒性能必須滿足國標(biāo)GB 20286-2006中相應(yīng)級別的指標(biāo)要求[5]。阻燃飾面中纖板的研究與開發(fā)正是順應(yīng)了市場需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對阻燃中密度纖維板的阻燃性和物理力學(xué)、阻燃浸漬紙貼面人造板制備技術(shù)等進(jìn)行了相關(guān)研究。Rejeesh等[6-7]以椰纖維為原料壓制阻燃纖維板，研究了硼砂和硼酸組合的阻燃溶液對纖維板阻燃性能的影響。蘭平等[8]采用共沉淀法制備無機(jī)氫氧化鎂(MH)和氫氧化鋁(ATH)復(fù)合阻燃劑，并將MH和ATH分別用于壓制阻燃中密度纖維板，探討了無機(jī)金屬氫氧化物阻燃劑對中密度纖維板燃燒過程中的熱釋放性能、質(zhì)量變化、煙釋放性能和煙氣毒性的影響。屈偉等[9]基于阻燃浸漬紙的制備，開展了阻燃浸漬紙貼面人造板制備技術(shù)研究。高金貴等[10]以阻燃高密度纖維板作為地板基材，開發(fā)了三聚氰胺浸漬紙層壓阻燃地板。

本文選用木材阻燃劑FRW研制FRW飾面阻燃中纖板，分析了素板和FRW飾面阻燃中纖板的阻燃與力學(xué)性能，旨在為生產(chǎn)具有難燃級的FRW飾面阻燃中纖板提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)阻燃劑。選用自主研制開發(fā)的高效木材阻燃劑FRW，該阻燃劑具有無毒、無污染、生產(chǎn)及處理工藝簡單、對木材物理性質(zhì)及加工性能影響小等特點(diǎn)[11-12]。

(2)普通中纖板和FRW阻燃中纖板。密度0.75 g/cm3；幅面尺寸340 mm(長)×320 mm(寬)×12 mm(厚)；壓制阻燃劑施加量分別為0%、9%、11%、13%和15%的普通中纖板和FRW阻燃中纖板。

(3)FRW阻燃三聚氰胺貼面裝飾紙。實(shí)驗(yàn)室自制；原紙重80 g/m2，F(xiàn)RW阻燃三聚氰胺膠浸漬量為原紙重的140%～150%；揮發(fā)物含量為6.1%；預(yù)固化度為53.7%。

1.2 普通貼面中纖板和FRW飾面阻燃中纖板的制備

以普通MDF為基材，單面復(fù)合未經(jīng)阻燃處理的三聚氰胺貼面裝飾紙制備普通貼面中纖板(素板)，標(biāo)號0%DMDF；以阻燃劑施加量分別為9%、11%、13%和15%的FRW阻燃中纖板為基材，單面復(fù)合FRW阻燃三聚氰胺貼面裝飾紙制備FRW飾面阻燃中纖板，標(biāo)號分別為9%FRWDMDF、11%FRWDMDF、13%FRWDMDF和15%FRWDMDF。

1.3 FRW飾面阻燃中纖板性能的測試方法

將素板和FRW飾面阻燃中纖板鋸解成尺寸為100 mm(長)×100 mm(寬)×12 mm(厚)的試樣，利用日本TOYOSEIKI公司生產(chǎn)的CONE CALORIMET Ⅲ C3 型錐形量熱儀測試阻燃性能，熱輻射強(qiáng)度50 kW/m2，選3個試樣進(jìn)行CONE試驗(yàn)，取平均值。

素板和FRW飾面阻燃中纖板的力學(xué)性能按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15102-2017《浸漬膠膜紙飾面纖維板和刨花板》進(jìn)行測試，取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 FRW飾面阻燃中纖板的CONE分析

由于阻燃劑施加量分別為9%、11%、13%和15%的FRW飾面阻燃中纖板的CONE曲線之間差距較小，不易分辨，本文只繪制了素板(0%DMDF)、阻燃劑施加量分別為11%和15%的FRW飾面阻燃中纖板(11%FRWDMDF和15%FRWDMDF)的CONE曲線。

2.1.1 熱釋放速率HRR

素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的主要阻燃性能參數(shù)見表1，HRR-time曲線如圖1所示。

圖1 素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的HRR

表1 素板和FRW飾面阻燃中纖板主要的阻燃性能參數(shù)

由表1可知，素板的總熱釋放量為68.36 MJ/m2，11% FRWDMDF為33.10 MJ/m2，15% FRWDMDF為27.33 MJ /m2，總熱釋放量比素板分別降低了51.58%和60.02%，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的總熱釋放量比素板下降明顯。木材阻燃劑FRW中的成分脒基脲磷酸鹽(Guanylurea phosphate，GUP)受熱分解時產(chǎn)生的CO2、NH3和H2O蒸汽等不燃性氣體，稀釋了空氣中的氧氣，有利于減緩氣相氧化反應(yīng)(燃燒)的速度，降低了熱輻射強(qiáng)度。同時木材阻燃劑FRW中的硼酸受熱后呈熔融的玻璃狀物質(zhì)，覆蓋在板材的表面，起到隔熱、隔氧的作用，降低了板材的燃燒速度和放熱量。

當(dāng)阻燃劑施加量增加到一定程度后，對于總熱釋放量的降低效果不明顯。因此，從降低阻燃成本的角度考慮，應(yīng)選取11%阻燃劑施加量處理FRW飾面阻燃中纖板，以達(dá)到既阻燃又節(jié)約成本的目的。

由圖1可知，素板和FRW飾面阻燃中纖板的HRR曲線均具有兩個放熱峰，第二放熱峰值比第一放熱峰值小，但第二放熱峰的放熱量卻比第一放熱峰大。研究結(jié)果表明，第一放熱峰對應(yīng)于試樣被點(diǎn)燃時的短暫有焰燃燒過程，第二放熱峰對應(yīng)于第二次出現(xiàn)較高火焰時的燃燒過程，因而抑制第二放熱峰的放熱量對FRW飾面阻燃中纖板的阻燃效果影響較大。

與素板相比，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的平均熱釋放速率和第一、第二放熱峰值均顯著降低。素板的平均熱釋放速率為185.49 kW/m2，11% FRWDMDF為94.89 kW/m2，15% FRWDMDF為74.72 kW/m2，平均熱釋放速率比素板分別降低了48.84%和59.72%。這說明FRW飾面阻燃中纖板經(jīng)阻燃劑FRW處理后，熱降解生成可燃性揮發(fā)物的速度大大降低，同時降低了外界熱量向板材輻射和傳遞的能力及速度，減緩了板材表面的熱裂解速度，延緩了火焰的快速傳播，相應(yīng)地使板材的阻燃效果提高。

隨著阻燃劑施加量的增加，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的平均熱釋放速率和第一、第二放熱峰值均呈現(xiàn)下降趨勢，表明阻燃劑用量越多，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的熱釋放速率越低。

2.1.2 總熱釋放量THR

素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的THR-time曲線如圖2所示。

圖2 素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的THR

由圖2可知，從試樣被點(diǎn)燃到第二放熱峰峰值出現(xiàn)之前，總熱釋放量增加緩慢；當(dāng)?shù)诙艧岱暹^后，總熱釋放量迅速增加，說明FRW飾面阻燃中纖板釋放的熱量主要由第二放熱峰提供，因此抑制此階段燃燒釋放出的熱量是提高FRW飾面阻燃中纖板阻燃效果的關(guān)鍵。

2.1.3 點(diǎn)燃時間TTI

點(diǎn)燃時間是評價(jià)材料阻燃性能的重要指標(biāo)之一。點(diǎn)燃時間越長，說明材料越不易被點(diǎn)燃，材料的阻燃性能越好。由表1可知，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的點(diǎn)燃時間TTI比素板有明顯延長，11% FRWDMDF的點(diǎn)燃時間為36.3 s，15% FRWDMDF的點(diǎn)燃時間為37.5 s，比素板的點(diǎn)燃時間分別延長了17.4 s和18.6 s。這說明木材阻燃劑FRW作用于FRW飾面阻燃中纖板后，遇熱時熱解速率變緩，釋放可燃性有機(jī)揮發(fā)氣體的速度變慢，使其達(dá)到持續(xù)燃燒所需氣體濃度的時間延長，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的阻燃性能明顯提高。

2.1.4 殘余物質(zhì)量Mass

素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的Mass-time曲線如圖3所示。

圖3 素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的Mass

由圖3和表1可知，11% FRWDMDF的成炭率為42.92%，15% FRWDMDF的成炭率為44.08%，比素板的成炭率20.86%分別提高了105.75%和111.31%，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的成炭率比素板提高明顯。成炭率的提高和表面炭化層的迅速生成可降低外界溫度向FRW飾面阻燃中纖板內(nèi)部傳遞的速度，降低板材的熱分解速度，減少可燃性揮發(fā)物的產(chǎn)生，從而提高了FRW飾面阻燃中纖板的阻燃效果。隨著阻燃劑施加量的增加，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的成炭率有所提高，但當(dāng)阻燃劑施加量達(dá)到11%，再增加阻燃劑用量對提高成炭率作用不大。

在有焰燃燒階段，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的質(zhì)量損失速度和總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紅熱燃燒階段。因此，應(yīng)盡可能減少板材在有焰燃燒階段的質(zhì)量損失量，增加在紅熱燃燒階段的成炭率是提高FRW飾面阻燃中纖板阻燃性能的關(guān)鍵。

2.2 FRW飾面阻燃中纖板的力學(xué)性能分析

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15102-2017《浸漬膠膜紙飾面纖維板和刨花板》測試的素板和FRW飾面阻燃中纖板的力學(xué)性能見表2。

表2 素板和FRW飾面阻燃中纖板的力學(xué)性能

從表2可以看出，在不添加FRW阻燃劑時，素板的靜曲強(qiáng)度為45.337 MPa，彈性模量為3 701 MPa，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.825 MPa，表面膠合強(qiáng)度為0.965 MPa，吸水厚度膨脹率為9.411%。FRW阻燃劑的加入，使FRW飾面阻燃中纖板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和表面膠合強(qiáng)度有所下降，而吸水厚度膨脹率變化不大。導(dǎo)致FRW飾面阻燃中纖板各強(qiáng)度值下降的原因，很可能是由于FRW阻燃劑中含有酸性物質(zhì)——硼酸，降低了膠黏劑的pH值而引起部分UF膠提前固化，從而降低了板的膠合強(qiáng)度。但與國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15102-2017《浸漬膠膜紙飾面纖維板和刨花板》相比，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)仍高于國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

3 結(jié)論

(1)錐形量熱儀(CONE)的研究結(jié)果表明，與素板相比，經(jīng)FRW阻燃劑處理后的FRW飾面阻燃中纖板具有優(yōu)異的阻燃效果，不僅明顯地降低了板材的熱釋放速率和總熱釋放量，延長了點(diǎn)燃時間，而且顯著促進(jìn)了板材炭化。

(2)隨著阻燃劑施加量的增加，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的阻燃效果呈上升趨勢。但當(dāng)阻燃劑施加量提高到一定程度后，此上升趨勢則不明顯。從節(jié)約成本的角度考慮，選取11%阻燃劑施加量處理板材為宜。

(3)木材阻燃劑FRW可促進(jìn)板材脫水炭化，受熱分解時產(chǎn)生不燃性氣體可稀釋空氣中的氧氣，呈熔融的玻璃狀物質(zhì)覆蓋在板材的表面，起到隔熱、隔氧的作用，此優(yōu)異的阻燃性能為生產(chǎn)具有難燃級的FRW飾面阻燃中纖板提供了有力保障。

(4)FRW飾面阻燃中纖板的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到并超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15102-2017《浸漬膠膜紙飾面纖維板和刨花板》的要求，從而使FRW飾面阻燃中纖板在具有優(yōu)異阻燃性能的同時，仍保持良好的力學(xué)特性。