阻燃重組木的研究分析

王惠蕓，曹平祥，王　俊，李金玉，梁星宇*

(1.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037；2.大亞(江蘇)地板有限公司，江蘇 丹陽 212300)

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阻燃重組木的研究分析

王惠蕓1，曹平祥1，王俊2，李金玉2，梁星宇1*

(1.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037；2.大亞(江蘇)地板有限公司，江蘇 丹陽 212300)

摘要：從重組木阻燃機(jī)理、阻燃劑種類、阻燃處理方法、阻燃重組木性能檢測(cè)等多個(gè)方面論述阻燃重組木的研究現(xiàn)狀。分析研究國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，提出阻燃劑需向多功能化、清潔環(huán)保、重抑煙性能3個(gè)方向發(fā)展及處理阻燃重組木新方法的探索。最后討論了目前阻燃重組木開發(fā)中存在的問題以及發(fā)展對(duì)策。

關(guān)鍵詞：重組木；阻燃劑；阻燃機(jī)理

0引言

重組木(Scrimber)是保持木材纖維方向和基本特性基礎(chǔ)上，將其碾壓成“木束”重新改性，施膠、熱壓制成的一種高強(qiáng)度、大規(guī)格、具有天然木材紋理結(jié)構(gòu)的新型人造板產(chǎn)品，完全可以代替實(shí)木硬木，其性能優(yōu)于實(shí)木硬木[1]?？捎米骷揖?、地板、門窗等裝修材料。而重組木是一種新型的人造板，屬于易燃物，全世界每年發(fā)生火災(zāi)次數(shù)大約為500萬起，有將近10萬人葬身在火海之中，而火災(zāi)的發(fā)生往往與使用未經(jīng)阻燃處理的易燃物有直接關(guān)系[2]，重組木作為一種應(yīng)用越來越廣泛的人造板材料，對(duì)其阻燃性能的研究受到了有關(guān)部門和相關(guān)研究人員的重視。

1重組木阻燃機(jī)理

目前還沒有專門針對(duì)重組木的阻燃機(jī)理，但是重組木也是一種木材，其阻燃機(jī)理與木材類似[3-6]。而阻燃機(jī)理和燃燒理論是相對(duì)的，一般將木材燃燒理論主要分為3個(gè)階段，分別是吸熱階段、熱分解階段和燃燒階段。針對(duì)這3個(gè)階段的燃燒理論，可將阻燃機(jī)理分為以下幾種。如圖1所示。

圖1　阻燃機(jī)理歸納圖

(1)覆蓋作用

利用阻燃劑熔融后覆蓋于木材的表面，隔斷了木材與外部的熱量交換，降低了木材的熱分解速度并且隔絕氧氣，破壞燃燒條件。

(2)熱作用

①隔熱作用：利用阻燃劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的不可燃物質(zhì)，例如發(fā)泡物、玻璃熔融物等減緩熱量的傳遞。

②吸熱作用：高溫下的阻燃劑會(huì)產(chǎn)生氣體，這些氣體具有吸熱作用，可以降低木材的溫度。使木材達(dá)不到燃點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)阻燃。

③熱傳導(dǎo)作用：加快木材燃燒時(shí)熱量的傳導(dǎo)，導(dǎo)致木材本身難以積聚熱量從而木材溫度降低，實(shí)現(xiàn)阻燃。

(3)氣體稀釋作用

阻燃劑高溫下會(huì)產(chǎn)生很多不可燃?xì)怏w，與木材燃燒時(shí)分解的可燃?xì)怏w混合，起到一個(gè)稀釋的作用，從而降低了可燃?xì)怏w的濃度，當(dāng)濃度稀釋到一定值時(shí)，將不滿足木材燃燒條件，實(shí)現(xiàn)阻燃。

(4)阻止連鎖反應(yīng)作用

燃燒的過程主要是游離基的反應(yīng)[7]。而含鹵素的阻燃劑在燃燒過程中可以捕獲到引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的OH，從而達(dá)到阻燃的效果。

(5)脫水碳化作用

阻燃劑在受熱情況下，生成酸或堿，促使纖維素脫水碳化，使得燃燒后殘?jiān)黾涌扇夹詺怏w減少，抑制燃燒。

(6)與氫結(jié)合作用

阻燃劑中的一些化學(xué)鍵例如磷酸、硫酸鹽中的-OH、-NH2等可與木材中的纖維素和木素中的氫發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生不可燃物，緩解木材進(jìn)一步燃燒。

(7)防止表面灼熱燃燒機(jī)理

防止表面灼熱燃燒可分為物理作用和化學(xué)作用。前者是利用阻燃劑形成保護(hù)層切斷炭表面與氧氣的接觸，從而抑制無焰燃燒；后者主要將生成的CO2進(jìn)行轉(zhuǎn)化，因?yàn)槟静娜紵^程中，發(fā)生的是氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)主要生成CO2和CO，燃燒生成CO2的熱量較大，所以要在燃燒過程中減少CO2的生成量，從而減少燃燒的發(fā)熱量。而阻燃劑中含有磷的化合物，在氧化反應(yīng)時(shí)，經(jīng)過磷處理過后的炭生成的CO2/CO數(shù)值比沒有處理的炭低9倍多。所以經(jīng)過磷處理后CO2釋放量顯著減少，發(fā)熱量也顯著減小。

2阻燃劑的開發(fā)與研究現(xiàn)狀

不僅僅是重組木，所有阻燃產(chǎn)品的研究與開發(fā)都離不開阻燃劑的研究與開發(fā)。目前阻燃劑種類繁多，在選擇阻燃劑時(shí)，應(yīng)從是否能有效減緩燃燒速度、燃燒有無毒性、抗流失性等多個(gè)方面綜合考慮[8]。到目前為止，還未出現(xiàn)一種阻燃劑能夠達(dá)到以上所有要求。

2.1阻燃劑的分類

阻燃劑如按使用方法可分為添加型阻燃劑和反應(yīng)型阻燃劑；按化學(xué)成分可分為無機(jī)阻燃劑和有機(jī)阻燃劑；按元素種類可分為鹵系、氮系、硅系磷系等阻燃劑；按阻燃作用可分為膨脹型阻燃劑和成炭阻燃劑等。通常是按使用方法進(jìn)行分類，即分為添加型和反應(yīng)型[9]。

2.1.1添加型阻燃劑

添加型阻燃劑在阻燃劑中占主導(dǎo)地位，其作用原理即阻燃劑與木材不發(fā)生反應(yīng)，只是物理的分布在木材中以提高其阻燃性能。添加型阻燃劑中有無機(jī)阻燃劑和有機(jī)阻燃劑，其中，無機(jī)阻燃劑占阻燃劑用量的60%以上，常見的添加型有水合氧化鋁、聚磷酸銨和磷酸氫二銨等，它們也都屬于無機(jī)阻燃劑[10]。水合氧化鋁即阻燃劑簡(jiǎn)稱ATH，是無機(jī)阻燃劑中應(yīng)用最多的，大約占80%。它不僅具有良好的阻燃性，并且其抑煙性能也很好。在現(xiàn)實(shí)的火災(zāi)事故中，對(duì)人類生命產(chǎn)生威脅的往往是那些燃燒產(chǎn)生的煙氣，導(dǎo)致人類窒息死亡，所以在美國等發(fā)達(dá)國家，抑煙性甚至比阻燃性更為重要[11]。

2.1.2反應(yīng)型阻燃劑

反應(yīng)型阻燃劑顧名思義即可與木材中的纖維素或者膠黏劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將具有阻燃性能的化學(xué)鍵載到木材分子上，使得木材也具有阻燃性能[12]。因?yàn)槠涓叻€(wěn)定性，在相同阻燃劑用量條件下，反應(yīng)型阻燃劑阻燃效果較添加型要顯著。

2.2阻燃劑研究發(fā)展

日本、前蘇聯(lián)和英國等一些發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)80年代中期采用上述所說的幾種無機(jī)阻燃劑對(duì)人造板進(jìn)行阻燃處理，發(fā)現(xiàn)這些無機(jī)阻燃劑吸潮性大，抗流失性差，不能用于濕度大的環(huán)境中[13-15]；各阻燃劑阻燃效果不盡相同，其中磷酸氫二銨的阻燃效果最好。為了解決阻燃劑抗流失性差等缺點(diǎn)，日本在20世紀(jì)90年代初期，首次采用無機(jī)阻燃劑二次浸漬法，即將人造板分別用兩種不同的阻燃劑進(jìn)行浸漬，產(chǎn)生了阻燃劑的協(xié)效作用，提高阻燃性能。隨著高分子工業(yè)的迅速發(fā)展，在20世紀(jì)70年代初期，研發(fā)了一種氨基樹脂型阻燃劑，該阻燃劑抗流失性好，但制作工序較為復(fù)雜，并且有甲醛釋放。20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)了一種集抗流失、低毒等優(yōu)點(diǎn)于一身的第2代新型阻燃劑[16]，將脲醛樹脂膠和其他物質(zhì)共聚制得阻燃膠黏劑；Charles[17]等人在阻燃處理工藝中增設(shè)了NaOH溶液浸泡處理，結(jié)果表明可大大提升阻燃性能。

我們國家對(duì)阻燃重組木這一塊研究的很少，阻燃劑的選用及方法大多參照其他幾種常見的阻燃人造板，比如阻燃膠合板和刨花板等。近幾年我國學(xué)者對(duì)阻燃重組木進(jìn)行了一些研究。例如2008年顧東蘭[18]利用酚醛樹脂膠黏劑復(fù)配改性，制得阻燃效果顯著的重組木，達(dá)到日本標(biāo)準(zhǔn)JISD1322-77中難燃一級(jí)品的要求；2011年傅深淵[19]等人研究開發(fā)的高效阻燃穩(wěn)定型重組木膠板生產(chǎn)方法中，就是采用30～70份粉狀水溶性聚磷酸銨作為主要阻燃劑處理重組木的。其阻燃機(jī)理是聚磷酸銨在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生氨和非常穩(wěn)定的不可燃聚合物，起到覆蓋作用，將燃燒物與氧氣隔絕，實(shí)現(xiàn)阻燃；2014年Chungui DU[20]等人研究了阻燃劑不同施加方法對(duì)重組木物理力學(xué)性能的影響，采用磷酸氫二銨阻燃劑，結(jié)果表明在施膠之前添加阻燃劑可以提高重組木的物理力學(xué)性能，但是會(huì)增加成本；2015年陳衛(wèi)民、李新功[21]等人通過在酚醛樹脂膠中添加無機(jī)礦物質(zhì)粉，制備了具有阻燃性能的重組木。

2.3阻燃劑發(fā)展趨勢(shì)

(1)阻燃劑功用多能化。在今后的阻燃劑開發(fā)與發(fā)展中，已經(jīng)不僅僅局限于阻燃劑只能阻燃，而是在阻燃的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)防腐、防蟲或者其他功用，做到“一劑多用”。

(2)清潔環(huán)保[22]。阻燃人造板是應(yīng)用廣泛的建筑用材，與人類的生活密不可分，現(xiàn)在提倡綠色生活理念，這種理念也要貫徹到阻燃劑的研發(fā)中，生產(chǎn)環(huán)境友好型阻燃劑。

(3)提高阻燃劑抑煙性能。在實(shí)際的生活中，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，真正威脅到人類生命安全的絕大多數(shù)是燃燒產(chǎn)生的大量煙氣，導(dǎo)致人類窒息死亡，所以，提高阻燃劑抑煙性能刻不容緩。

3重組木阻燃處理方法

參考阻燃人造板阻燃處理方法，最常見的木材阻燃方法可分為浸漬法、涂刷法、制備阻燃性膠黏劑法等[23]?，F(xiàn)研究階段，有關(guān)重組木阻燃處理方法的主要為浸漬法。

3.1現(xiàn)行阻燃處理方法

如今阻燃重組木主要采用阻燃劑浸漬法。即將碾壓的木絲束浸泡在阻燃劑中，浸漬可分為常壓浸漬和加壓浸漬，后者較前者在相同時(shí)間內(nèi)木絲束阻燃劑的載藥量高。在阻燃劑浸漬法中，影響重組木阻燃性能的有浸泡阻燃劑的濃度、浸漬時(shí)間等因素。

根據(jù)重組木生產(chǎn)工藝流程，可得到阻燃重組木生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2　阻燃重組木工藝流程圖Fig.2 The technological process chart of scrimber

3.2重組木阻燃處理方法新探索

(1)可將多種阻燃處理方法結(jié)合。例如將浸漬法和制備阻燃性膠黏劑法相結(jié)合，將碾壓好的木絲束浸漬在有阻燃性能的膠黏劑中，既完成了阻燃處理，又完成了施膠這一工序，節(jié)約時(shí)間，提高產(chǎn)量。

(2)可學(xué)習(xí)阻燃膠合板成板阻燃方法[24]，在重組木制備完成后再進(jìn)行阻燃處理，可采用涂刷法、浸漬法等。這種處理方法可使重組木表面阻燃性能得到大大的提高，但是缺點(diǎn)是在進(jìn)行阻燃處理后，還要多加一步干燥的工序，會(huì)提高成本。

(3)借鑒阻燃刨花板的處理方法，將粉狀阻燃劑均勻的灑在重組木板面上，在一定條件下熱壓，阻燃劑滲入刨花板內(nèi)，使重組木具有一定的防火性能[25]。

4阻燃重組木性能檢測(cè)

現(xiàn)如今，我國還沒有出臺(tái)關(guān)于阻燃重組木的性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，多采用建筑材料燃燒性能檢測(cè)方法，測(cè)試內(nèi)容包括可燃性試驗(yàn)、難燃性試驗(yàn)、煙密度試驗(yàn)等，最后可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)[26-27]。

4.1點(diǎn)燃性的檢測(cè)方法

點(diǎn)燃性的檢測(cè)包括點(diǎn)著溫度的檢測(cè)和氧指數(shù)的檢測(cè)[28-29]。分別采用標(biāo)準(zhǔn)GB 4610-84《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法-點(diǎn)著溫度測(cè)定》、GB 2406-93《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法-氧指數(shù)法》[30]。點(diǎn)著溫度是指在一定條件下，外火焰能點(diǎn)燃試驗(yàn)材料所發(fā)出的可燃性氣體并導(dǎo)致其燃燒的最低溫度。它反映了材料燃燒所需要的最低溫度，多次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)進(jìn)一步研究材料阻燃劑、阻燃工藝有一定的意義。氧指數(shù)是指在一定條件下，試驗(yàn)材料燃燒所需要氧氣的一個(gè)最低濃度指標(biāo)。氧指數(shù)是一個(gè)百分?jǐn)?shù)，數(shù)值越高，說明材料被點(diǎn)燃時(shí)需要的氧氣越多，代表該材料越難燃燒，這是初步判斷材料燃燒性能的一種簡(jiǎn)便的方法。

4.2火焰?zhèn)鞑バ缘臋z測(cè)方法

作為材料燃燒的一個(gè)必不可缺的性能，火焰?zhèn)鞑バ允侵冈谠囼?yàn)材料的一端點(diǎn)燃一定時(shí)間，火焰沿實(shí)驗(yàn)材料表面蔓延的速度。可通過檢測(cè)火焰燃燒過后試驗(yàn)材料的炭化長(zhǎng)度、面積等衡量材料的火焰?zhèn)鞑バ?。?duì)于火焰?zhèn)鞑バ缘臋z測(cè)主要有隧道法、火傳播試驗(yàn)法和直接點(diǎn)燃法。

隧道法主要根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZBG 51002-85《防火涂料防火性能試驗(yàn)方法-隧道燃燒法》進(jìn)行試驗(yàn)，國外也有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，例如美國的ASTM-84標(biāo)準(zhǔn)、加拿大的CAN/ULC-S102標(biāo)準(zhǔn)。利用隧道爐，將一定規(guī)格的試樣放入其中，用外火焰燃燒試驗(yàn)一段時(shí)間，測(cè)試該時(shí)間段內(nèi)火焰的傳播速度，并且分別和難燃性材料和易燃性材料的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸鲗?duì)比，利用相關(guān)的公式計(jì)算出材料的火焰?zhèn)鞑ブ笖?shù)，指數(shù)越低，說明其易燃，阻燃性能差；指數(shù)越高，則阻燃性能好。

火傳播試驗(yàn)方法不同于其他方法，它既有熱輻射源又有明火點(diǎn)燃。其試驗(yàn)方法是將試驗(yàn)材料放在燃燒箱中，檢測(cè)其燃燒時(shí)所釋放煙氣的溫度，再將其溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并和難燃性材料燃燒時(shí)釋放煙氣溫度的數(shù)據(jù)作對(duì)比分析計(jì)算，最后得出試驗(yàn)材料的火傳播指數(shù)。我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 17658-1999《阻燃木材燃燒性能試驗(yàn)-火傳播試驗(yàn)方法》，國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有英國的BS 476 Part6。

直接點(diǎn)燃法可讓試件與火焰呈45°角燃燒，即45°角燃燒法。主要檢測(cè)的指標(biāo)是火焰燃燒后的炭化長(zhǎng)度及面積和燃燒前后的質(zhì)量差。我國相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有ZBG 51003-83，日本標(biāo)準(zhǔn)JIS A 1322-66，美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 1360-79等[29-30]。

4.3釋熱性和釋熱速度的檢測(cè)方法

釋熱性即單位質(zhì)量的材料在完全燃燒時(shí)所釋放熱量多少的性能，而釋熱速度即單位質(zhì)量的材料在單位時(shí)間內(nèi)完全燃燒時(shí)所釋放熱量多少的性能。然而我國并沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，就采用GB-213《煤的發(fā)熱量測(cè)試方法》代替。國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)例如澳大利亞的國家標(biāo)準(zhǔn)AS-1530.3等。

4.4發(fā)煙性的檢測(cè)方法

發(fā)煙性能的測(cè)試主要有3種方法，分別是測(cè)光法、重量法和分析法。其中，最常用的測(cè)試方法是測(cè)光法。指在材料燃燒時(shí)，產(chǎn)生的煙氣對(duì)光的吸收程度大小，若對(duì)光遮蔽性好并且光強(qiáng)度衰減很快，則煙氣濃度高，材料發(fā)煙性較高。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有JISD-1201。

4.5理化性能的檢測(cè)方法

阻燃重組木不僅需要檢測(cè)阻燃相關(guān)性能，也要檢測(cè)其理化性能。常見的檢測(cè)指標(biāo)有含水率、密度、彈性模量、靜曲強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性、吸水厚度膨脹率等。參看的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能實(shí)驗(yàn)方法》。

4.6其他檢測(cè)方法

(1)錐形量熱儀法：錐形量熱儀是一種以量熱學(xué)為學(xué)科基礎(chǔ)利用耗氧原理，集多種試驗(yàn)于一體的先進(jìn)試驗(yàn)儀器，并且可以模擬小比例火災(zāi)，可用來綜合評(píng)價(jià)和研究人造板的阻燃性能。是目前最先進(jìn)的試驗(yàn)儀器，但是價(jià)格太高，很難普及。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5660-1-2002，我國根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)也發(fā)布了錐形量熱儀法的檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T-16172-2007《建筑材料熱釋放速率試驗(yàn)方法》

(2)熱分析法：用來測(cè)定物質(zhì)的某些物理參數(shù)與溫度關(guān)系的方法。主要包括熱重分析、差熱分析和差示掃描量熱法等。一般將幾種方法聯(lián)合起來考慮阻燃效果，對(duì)研究材料燃燒、阻燃機(jī)理有積極意義。

(3)火管儀法：主要檢測(cè)材料的可燃性。通過材料燃燒前后的質(zhì)量差來衡量其燃燒性能。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有法國標(biāo)準(zhǔn)DIN 4102，日本標(biāo)準(zhǔn)JISA1322，英國標(biāo)準(zhǔn)BS476和美國標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASTME69-80。

5阻燃重組木存在問題和發(fā)展對(duì)策

5.1存在問題

(1)我國至今還沒有針對(duì)檢測(cè)阻燃重組木燃燒性能的標(biāo)準(zhǔn)及方法，很大程度制約了其發(fā)展。

(2)法律法規(guī)不夠健全。我國法律法規(guī)對(duì)阻燃還是太過“寬松”，例如在建筑行業(yè)，只是對(duì)建筑構(gòu)件有阻燃要求，而對(duì)于內(nèi)部裝修的材料卻沒有硬性規(guī)定。

(3)阻燃重組木處理工藝單一，品種較少，年產(chǎn)率低，較難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

5.2發(fā)展對(duì)策

(1)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)重組木制定相應(yīng)的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)，精確地評(píng)價(jià)阻燃重組木的阻燃性質(zhì)。

(2)阻燃法制化。加大宣傳，提高人們法治意識(shí)；加快推進(jìn)有關(guān)阻燃材料法律的建立，強(qiáng)制性必須使用阻燃材料，即可加速阻燃材料的研究與發(fā)展，包括阻燃重組木。

(3)阻燃劑新型化。不斷完善阻燃劑和阻燃重組木生產(chǎn)技術(shù)，阻燃劑向低毒、環(huán)保的方向研制，降低生產(chǎn)成本，研制出新型高效的阻燃重組木。

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Research Status of Flame-retarded Scrimber

Wang Huiyun1，Cao Pingxiang1，Wang Jun2，Li Jinyu2，Liang Xingyu1*

(1.College of Material Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037；2.Dare(Jiangsu)Parquet Co.，Ltd.，Danyang 212300，Jiangsu Province)

Abstract：This paper introduced the research status of fire-retarded scrimber from the aspects of flame retardant mechanism，fire retardant treatments，the common fire retardants and the test method of fire-retardant effects and analyzed the study results of scholars at home and abroad.It was proposed that the fire retardants should be more functional，cleaner，more smoke-suppressed and new treatment methods of flame retardant scrimber were suggested.Finally，the existing issues in the development of fire retardant scrimber were discussed and the corresponding development countermeasures were put forward.

Keywords：scrimber；fire retardants；burning-resistant mechanism

中圖分類號(hào)：S 756；TS 653.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2016)03-0048-05

*通信作者：梁星宇, 學(xué)士，講師。研究方向：木質(zhì)復(fù)合材料。youngleiguo@hotmail.com

作者簡(jiǎn)介：第一王惠蕓，碩士研究生。研究方向：木材加工裝備工程。

基金項(xiàng)目：江蘇省前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2015006-04)

收稿日期：2015-11-30

引文格式：王惠蕓，曹平祥，王俊，等.阻燃重組木的研究分析[J].森林工程，2016，32(3)：48-52.