阻燃刨切薄竹的熱重分析

李延軍，徐世克，杜蘭星，余肖紅，魏 濤，劉紅征

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2. 浙江大莊實業(yè)集團有限公司，浙江 杭州 311200）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，將珍貴樹種木材制成的薄木貼在人造板表面作為裝飾已成為時尚。然而，隨著珍貴樹種木材產(chǎn)量逐漸減少，薄木的價格越來越高，開發(fā)新的類似木材性能的微薄竹貼面裝飾材料就具有重要的現(xiàn)實意義[1]。刨切薄竹具有特殊的紋理和清新自然、真實淡雅的質(zhì)感，深受用戶青睞，在歐、美等國家尤其受到歡迎，可部分代替珍貴木材單板，用作家具、地板等的裝飾裝修材料[2]。目前刨切薄竹產(chǎn)品不僅在歐美廣受青睞，而且在國內(nèi)也有較大的發(fā)展市場。

木材阻燃理論主要有 4種，即覆蓋理論、氣體理論、熱理論和化學(xué)理論[3]。熱分析法為評價木材及木質(zhì)人造板的阻燃性能和研究阻燃機理提供了有效的手段[4]。熱分析技術(shù)包括熱重分析（TG）、差熱分析（DTA）、差示掃描量熱法（DSC）以及熱機械分析法等方法[5～7]。本文利用磷酸氫二銨[(NH4)2HPO3]和硼砂（Na2B4O7·10H2O）處理刨切薄竹，并且采用熱重分析儀研究阻燃刨切薄竹的熱解性能，探究阻燃刨切薄竹的阻燃機理，為阻燃刨切薄竹的實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)，拓展刨切薄竹的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

刨切薄竹：取自浙江森瑞竹木業(yè)有限公司，單面貼無紡布，厚0.6 mm，裁剪成10 cm×10 cm（長×寬）的試樣。

阻燃劑：南京奧佳化工有限公司生產(chǎn)的磷酸氫二銨（分析純）和硼砂（分析純），按4：1（質(zhì)量）組成。

1.2 實驗方法

1.2.1 阻燃處理 將刨切薄竹浸漬不同濃度阻燃劑，瀝干后計算載藥量Q，載藥量計算公式：

式中，m1為試樣浸漬前的質(zhì)量，m2為試樣浸漬后的質(zhì)量，n為浸漬液濃度。

選取載藥量為3%，4%，7%的阻燃刨切薄竹用于熱重實驗。

1.2.2 熱重實驗 德國耐馳公司STA409PC熱分析儀，主要技術(shù)指標：溫度范圍室溫至1 550℃；靈敏度4.0 ～ 4.5 μV/mW；樣品最大質(zhì)量18 g；同步熱分析方法（DTA/DSC-TG）：將熱重分析TG與差熱分析DTA或差示量熱掃描DSC結(jié)合為一體，在同一次測量中利用同一樣品可同步得到熱重于差熱信息。

將阻燃刨切薄竹在50℃下烘至恒重，利用手工鋼鋸制成粉末，研磨，通過60 ～ 80目篩，用于熱重實驗。熱重實驗條件為：試驗在程序控制的持續(xù)線性升溫的氮氣氣氛中進行，氮氣流量20 mL/min，升溫速率20℃/min，熱解溫度范圍23 ～ 800℃，樣品用量10 mg，參比物為α-Al2O3。

2 結(jié)果與分析

在熱分析儀上測定未阻燃處理刨切薄竹和阻燃處理不同載藥量薄竹的TG和DTG曲線，如圖1所示。阻燃薄竹的DTG曲線特征值見表1。

從圖1可以看出，無論是未處理刨切薄竹還是阻燃刨切薄竹的TG和DTG曲線都具有相似的變化規(guī)律。與木材的熱解過程相似，薄竹的熱解過程大致可分為4個階段[3]：①失水干燥。在約50℃時開始發(fā)生失重，失重量6% ～ 7%，與薄竹中的含水率相當。該過程主要是竹材組織吸著水分受熱蒸發(fā)過程，為吸熱過程；②預(yù)炭化階段。該階段的熱解失重很小，此時薄竹受熱分解的速度變緩，竹材中的半纖維素和纖維素等組分逐漸分解放出CO2、CO、CH4、CH3OH、CH3COOH等；③炭化階段。在約200℃開始發(fā)生明顯的失重，235 ～ 380℃有一個失重速率和失重百分比均很大的失重過程。該區(qū)間曲線長而陡，是熱分解產(chǎn)生重量損失的主要階段。由預(yù)炭化階段生成的可燃性氣體著火，出現(xiàn)有焰燃燒。TG曲線減量在47% ～ 60%；④煅燒階段。該區(qū)間曲線變緩，木材的失重率逐漸減少，熱解失重達到最大并保持不再失重，在DTG曲線上更加清楚地表現(xiàn)出來。這時的可燃氣體已經(jīng)很少，因而由有焰燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)闊o焰燃燒。

圖1 不同載藥率刨切薄竹的TG曲線和DTG曲線Figure 1 Curve of TG and DTG of sliced bamboo veneer with different drug loading

由圖1可見，不同阻燃劑載藥量對刨切薄竹的熱解過程會產(chǎn)生影響，熱重曲線也有很大不同。從TG曲線比較可以看出，在失水干燥階段，未處理刨切薄竹和阻燃刨切薄竹曲線基本相同。阻燃處理的刨切薄竹分解起始溫度和最大質(zhì)量損失速率時所對應(yīng)的溫度均比未處理薄竹低。

表1 阻燃刨切薄竹的DTG曲線特征值Table 1 Characteristics of DTG curves

由表1可知，未阻燃處理薄竹的分解起始溫度為232℃，最大質(zhì)量損失時對應(yīng)的溫度為357.9℃；阻燃處理薄竹分解起始溫度為210℃左右，載藥量3%，4%，7%的阻燃刨切薄竹的最大質(zhì)量損失時對應(yīng)的溫度分別為349.6、353.1、343.3℃。且阻燃刨切薄竹在23 ～ 130℃溫度區(qū)間還有部分熱解，失重率約為5%。由于纖維素的熱分解途徑為：大于 250℃時，發(fā)生劇烈的吸熱反應(yīng)，生成焦油，進一步發(fā)生放熱和吸熱反應(yīng)，產(chǎn)生可燃氣體；小于250℃時反應(yīng)緩慢，發(fā)生少量的吸熱反應(yīng)，生成脫水纖維素，進一步發(fā)生放熱反應(yīng)，生成炭、CO2、H2O、CO。因此，熱分解起始溫度降低，可減少可燃性氣體的生成，同時促進竹材的脫水炭化。

從失重達到平衡狀態(tài)后的成炭率來看，未處理的刨切薄竹成炭率約為17.9%，由表1可以看出，未阻燃薄竹的殘余質(zhì)量分數(shù)為17.96%，載藥量3%、4%、7%的殘余質(zhì)量分數(shù)分別為23.75%、25.54%、27.4%，其殘余質(zhì)量分數(shù)分別比未阻燃薄竹增加了 32.2%、41.98%、52.56%，說明利用本阻燃劑處理的薄竹阻燃效果明顯，并且隨著載藥率的增加阻燃性能也相對增加。成炭率提高，成炭量的增加說明揮發(fā)物減少，炭化程度提高。因為通常有焰燃燒對火勢蔓延起著決定性作用，通過增加炭產(chǎn)量，從而減少可燃性揮發(fā)物的生成，有可能抑制有焰燃燒。所以，阻燃的產(chǎn)炭量增加理論認為：產(chǎn)炭量可以作為阻燃效果的評價標準。產(chǎn)炭量越高，阻燃劑的有效性越好。

3 結(jié)論

（1）與未阻燃刨切薄竹相比，經(jīng)磷酸氫二銨和硼砂復(fù)配的阻燃劑處理后的刨切薄竹具有較好的熱穩(wěn)定性。未阻燃薄竹的殘余質(zhì)量分數(shù)17.96%，載藥量3%、4%、7%的殘余質(zhì)量分數(shù)分別為23.75%、25.54%、27.4%，殘余質(zhì)量分數(shù)分別增加了 32.2%、41.98%、52.56%。阻燃刨切薄竹的質(zhì)量損失率明顯減小，成炭率也有了較大的提高。隨著刨切薄竹載藥量的增加，阻燃效果也越明顯。

（2）阻燃刨切薄竹的熱解起始溫度相對未阻燃處理刨切薄竹提前，說明阻燃處理促使薄竹提前熱解，釋放出難燃氣體，同時可減少可燃性揮發(fā)產(chǎn)物的生成，能有效延緩火勢蔓延，促進薄竹向成炭的方向燃燒。

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