3種阻燃劑對聚乙烯基木塑地板性能的影響

龔迎春，任海青，湯正捷，吳章康，黃 偉

（1.中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091；2.西南林業(yè)大學 材料工程學院，云南 昆明650224；3.西雙版納華坤生物科技有限公司，云南 西雙版納666100）

3種阻燃劑對聚乙烯基木塑地板性能的影響

龔迎春1,2，任海青1，湯正捷2，吳章康2，黃 偉3

（1.中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091；2.西南林業(yè)大學 材料工程學院，云南 昆明650224；3.西雙版納華坤生物科技有限公司，云南 西雙版納666100）

為進一步拓展木塑復合材料應用領域，提高其使用安全性，研究3種阻燃劑對聚乙烯（PE）基木塑地板燃燒性能和力學性能的影響。結果表明：添加阻燃劑后，木塑地板其24.0 h吸水率、彎曲破壞載荷和煙密度等級都達到GB/T 24508-2009《木塑地板》和GB 8624-2006《建筑材料及制品燃燒性能分級》的要求；與對照試件相比較，木塑地板的氧指數(shù)提高了25.2%~34.4%，吸水率提高了47.0%~152.0%，彎曲破壞載荷降低了10.5%~27.4%；其中添加阻燃劑FR-C的氧指數(shù)和彎曲破壞載荷最大，添加阻燃劑FR-B的煙密度等級和24.0 h吸水率最小?？偟膩碚f，添加阻燃劑可以有效提高木塑地板阻燃性，但對板材的物理力學性能有不利影響。同時煙氣是火災中致死的主要原因，木塑地板的產煙毒性有待進一步研究。圖4表1參19

木材科學與技術；木塑地板；阻燃劑；力學性能；燃燒性能

木塑復合材料（簡稱WPC）是一種新型的環(huán)保材料，相比較塑料具有更好的拉伸強度、抗彎強度和耐蠕變性等，相比較木材具有更好的尺寸穩(wěn)定性、加工性和可回收利用等［1］，主要應用于鋪板、欄桿、鐵道枕木、汽車產品等。由于植物纖維和塑料都是易燃物質，故木塑復合材料不具備阻燃性，存在一定的安全隱患，限制了它在家具、室內裝飾材料等領域的應用［2］。因此，研究阻燃型木塑復合材料，可以拓展其應用領域，提高其市場價值，又可以保障人們的生命財產安全，具有重要的研究意義。目前，木塑復合材料研究包括木塑復合材料的界面改性、抗老化性、耐腐蝕性等［4－8］。針對木塑復合材料阻燃，工業(yè)領域主要采用鹵系、磷系、膨脹阻燃劑以及無機氫氧化物等［9］。國內外已有對木塑復合材料的阻燃性進行研究，例如Abu Bakar等［10］研究膨脹阻燃劑對聚丙烯復合材料阻燃效果的影響，表明三聚氰胺有協(xié)同作用，比單獨使用聚磷酸胺（APP）可進一步提高聚丙烯/木粉（PP/WF）復合材料的的阻燃性。Graca等［11］研究氫氧化鋁對聚乙烯/木粉（PE/WF）復合材料阻燃效果的影響，表明采用氫氧化鋁作為阻燃劑可以有效地提高木塑復合材料的阻燃性能,但是材料的耐久性降低。董吉等［12］以聚磷酸胺（APP）、季戊四醇（PER）以及自制的成炭發(fā)泡劑（CFA）為膨脹體系，表明膨脹體系可以提高復合材料的氧指數(shù)與成炭性，提高材料的拉伸強度和彎曲強度。筆者為了研制成本低，綜合性能優(yōu)的木塑地板，在采用高速混煉和擠出成型工藝的基礎上，制備阻燃型木塑地板，研究3種阻燃劑（鹵素阻燃劑、無機阻燃劑和氮磷阻燃劑）對木塑地板的24.0 h吸水率、彎曲破壞載荷、氧指數(shù)和煙密度等級的影響，探索工業(yè)化制備阻燃木塑地板的工藝參數(shù)，為實現(xiàn)阻燃木塑地板的工業(yè)化生產奠定基礎。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

橡膠木Hevea spp.木粉：產自云南西雙版納地區(qū)，由工廠加工所得，原料經(jīng)干燥至含水率為2.0%~ 3.0%，篩選至目數(shù)為60~100。聚乙烯：聚乙烯飲料瓶回收再造粒料，密度為0.92 g·cm－3。阻燃劑：FRA十溴聯(lián)苯醚、FR-B氫氧化鋁、FR-C氮磷阻燃劑［m（聚磷酸銨）∶m（三聚氰胺）＝3∶1］，山東濰坊遠東楊塑科技有限公司。

1.2 實驗方案

將木粉（WF），聚乙烯（PE），阻燃劑（FR），偶聯(lián)劑及其他添加劑按相應配方在高速混煉機中105~ 125℃條件下混合20 min，轉速為1 500 r·min－1。將混料利用同向雙螺桿造粒機進行造粒，造粒時間為15~18 min，溫度130~175℃，轉速為300 r·min－1。再通過錐形雙螺桿擠出機擠出成型，并經(jīng)冷卻、截取獲得最終試件。聚乙烯、橡膠木木粉與阻燃劑的配比見表1。

表1 聚乙烯基木塑復合材料配比Table 1 Mixture ratio of PE wood plastic composites flooring

1.3 性能測試

24.0 h吸水率和彎曲破壞載荷按照國家標準GB/T 24508-2009《木塑地板》［13］測試；氧指數(shù)代表材料的難燃性，其值越高，表明材料越難燃；按照國家標準GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指數(shù)法測定燃燒行為》［14］測試，試樣尺寸為80～150 mm×10 mm×4 mm，樣本數(shù)為10~15個；煙密度按照國家標準GB/T 8627-2007《建筑材料燃燒或分解的煙密度試驗方法》［15］測試，試樣尺寸為25 mm×25 mm×6 mm，樣本數(shù)為3個。

2 結果與分析

分別研究3種阻燃劑對木塑地板24.0 h吸水率、彎曲破壞載荷、氧指數(shù)和煙密度等級的影響，測試結果如圖1~4。

2.1 阻燃劑對24.0 h吸水率影響

由圖1可知：阻燃處理的木塑地板與未阻燃處理的對照試件相比，其24.0 h吸水率有明顯上升，其中添加氮磷阻燃劑木塑地板的24.0 h吸水率最大為2.32%，相比較對照試件上升了152.0%，但仍滿足國家標準GB/T 24508-2009《木塑地板》基于不發(fā)泡木塑地板吸水率（＜3.0%）的要求。

2.2 阻燃劑對彎曲破壞載荷影響

由圖2可得：阻燃處理的木塑地板與未阻燃處理的對照試件相比，其彎曲破壞載荷都有明顯的降低，這是由于添加3種阻燃劑后，一部分的阻燃劑覆蓋在相容劑馬來酸酐接枝PP的表面上，影響了木粉與塑料之間的界面結合，從而影響了木塑地板的力學性能［16］。其中添加3種阻燃劑，木塑地板的彎曲破壞載荷下降幅度為10.5%~27.4%，添加FR-A十溴聯(lián)苯醚的木塑地板的彎曲破壞載荷最小為4 622 N，相對于對照試件下降了27.4%，但仍遠滿足國家標準GB/T 24508-2009《木塑地板》對公共場合素面木塑地板彎曲破壞載荷（＞2 500 N）的要求。

圖1 阻燃劑對木塑地板24.0 h吸水率的影響Figure 1 Effects of flame retardant on the 24.0 h water absorption rate of wood plastic composites flooring

圖2 阻燃劑對木塑地板彎曲破壞載荷的影響Figure 2 Effects of flame retardant on the bending failure load of wood plastic composites flooring

2.3 阻燃劑對氧指數(shù)影響

由圖3可知：對照試件的氧指數(shù)為20.37，說明木塑地板為易燃材料。與對照試件相比，添加3種阻燃劑能顯著提高木塑地板的氧指數(shù)。其中添加FR-C氮磷阻燃劑的木塑材料氧指數(shù)最高，相比較對照試件提高了34.4%。這是由于聚磷酸銨（APP）分解脫氨產生聚酸胺，由于木粉中含有大量的纖維素、半纖維素含碳的多羥基化合物，在聚磷酸的催化下脫水成炭，在木塑復合材料表面形成致密的炭化保護層，其次三聚氰胺（MEL）受熱釋放惰性氣體，減少可燃氣體，稀釋氧氣，在混合阻燃體系中起協(xié)效作用［17］。添加FR-A十溴聯(lián)苯醚阻燃劑的木塑地板氧指數(shù)最小，但相比較對照試件提高了25.2%，說明添加阻燃劑能有效提高木塑地板的阻燃性。

2.4 阻燃劑對煙密度等級影響

阻燃木塑地板煙密度等級測試結果見圖4，煙密度等級越低說明抑煙效果越好。由圖4可得：阻燃處理的木塑地板與未阻燃處理的對照試件相比，其煙密度等級呈現(xiàn)不同變化，說明木塑地板的煙密度等級受阻燃劑種類的影響。其中添加FR-A十溴聯(lián)苯醚的木塑地板煙密度等級最大為60.31，相比較對照試件提高了72.7%，說明鹵素阻燃劑的抑煙效果差，添加FR-B氫氧化鋁木塑地板的煙密度等級相比較對照試件有明顯的降低，下降幅度為24.9%，說明無機阻燃劑有一定的抑煙效果。這可能是由于無機阻燃劑在高溫下分解生成水能稀釋可燃性氣體，降低煙的濃度，從而降低煙密度等級［18］。所有木塑地板煙密度等級均可滿足國家標準GB 8624-2006《建筑材料及制品燃燒性分級》［19］對B1級建筑材料煙密度等級（＜75.0）的要求。

3 結論

添加3種阻燃劑木塑地板的24.0 h吸水率、彎曲破壞載荷滿足國家標準GB/T 24508-2009《木塑地板》的要求，其中添加氫氧化鋁木塑地板的24.0 h吸水率最小為1.36%，添加氮磷阻燃劑木塑地板的彎曲破壞載荷最大為5 698 N。

圖3 阻燃劑對木塑地板氧指數(shù)的影響Figure 3 Effects of flame retardant on the oxygen index of wood plastic composites flooring

圖4 阻燃劑對木塑地板煙密度等級的影響Figure 4 Effects of flame retardant on the smoke density of wood plastic composites flooring

添加3種阻燃劑木塑地板的氧指數(shù)有明顯的提高，其中添加氮磷阻燃劑木塑地板氧指數(shù)提高34.4%；木塑地板的煙密度等級呈現(xiàn)不同變化，說明木塑地板的煙密度等級受阻燃劑種類的影響。

綜合以上分析，我們可以初步確定工業(yè)化生產阻燃木塑地板是可行的，但木塑地板的煙密度等級有待降低，火災中的產煙毒性有待研究。

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Effect of three flame retardants on the performance of PE wood plastic composites flooring

GONG Yingchun1,2,REN Haiqing1,TANG Zhengjie2,WU Zhangkang2,HUANG Wei3
（1.Research Institute of Wood Industry,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China;2.College of Materials Engineering,Southwest Forestry University,Kunming,650224,Yunnan,China;3.Xishuangbanna Huakun Biological Company,Xishuangbanna 666100,Yunnan,China）

To improve application of wood-plastic composites（WPC）,a new type of environmental material,and to promote safety,the effects of three kinds of flame retardants （A,B,and C）on mechanical properties and combustion performance of PE wood plastic composite flooring were compared to unprocessed wood plastic composite flooring and analyzed.Results showed that after adding flame retardants,the 24 h water absorption rate,the bending failure load,and the smoke density of WPC flooring met the GB/T 24508-2009 and GB 8624-2006 standards.Compared to unprocessed WPC flooring,the oxygen index increased from 25.2%to 34.4%,the 24 h water absorption rate increased from 47.0%to 152.0%,and the bending failure load decreased from 10.5%to 27.4%.Retardant C had the maximum oxygen index and bending failure load for treated WPC flooring;retardant B had the minimum 24 h water absorption rate and smoke density.Overall,flame retardants improved the flame retardation properties of WPC flooring but negatively influenced mechanical properties; meanwhile,smoke from fire with WPC flooring was the main cause of casualties,so this toxic smoke requires further study.［Ch,4 fig.1 tab.19 ref.］

wood science and technology;wood plastic composite flooring;flame retardant;mechanical property;combustion performance

S785；TQ351.04

A

2095-0756（2015）03-0410-05

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.03.012

2014-09-04；

2014-10-14

國家自然科學基金資助項目（31060098）

龔迎春，博士研究生，從事木質材料研究。E-mail：519665524@qq.com。通信作者：吳章康，教授，博士，從事木質復合材料研究。E-mail：zhangkang@yahoo.com.cn