阻燃毛竹重組竹地板的阻燃特性*

杜春貴 余輝龍 周中璽 姚瀟翎 黃秋麗

近年來，由于大量可燃性材料用于高層建筑的裝修裝飾，導(dǎo)致建筑發(fā)生火災(zāi)的頻次增加，由此造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失呈現(xiàn)遞增趨勢[1,2]，因而研發(fā)阻燃材料十分必要。重組竹作為當(dāng)前我國竹材工業(yè)的一種主流品種[3]，已在建筑和裝飾裝修等領(lǐng)域得到較多的應(yīng)用。但重組竹屬于可燃材料，為預(yù)防火災(zāi)隱患的滋生，預(yù)防和減少火災(zāi)的危害，研制阻燃重組竹具有十分重要的現(xiàn)實意義。目前，有一些學(xué)者進(jìn)行了阻燃竹質(zhì)材料的研究[4-10]，但有關(guān)阻燃重組竹的研究僅見阻燃慈竹重組竹燃燒性能[9]的報道，尚未見阻燃毛竹重組竹阻燃特性的研究報道。此外，現(xiàn)有的竹質(zhì)材料阻燃研究仍停留于實驗室研究，還未見生產(chǎn)性試驗研究的報道；在阻燃性能研究中也未見探討膠黏劑的作用；而且有些阻燃劑價格貴，難以在企業(yè)推廣應(yīng)用。為此，筆者在前期進(jìn)行的重組竹阻燃處理工藝和阻燃劑施加方法對其物理力學(xué)性能影響等研究[11-13]的基礎(chǔ)上，選用具有阻燃性能優(yōu)良、價格便宜等特點的水基型無機(jī)阻燃劑為原料，采用具有投資小、操作方便等特點的常壓浸漬法，在重組竹生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了阻燃和未阻燃處理毛竹重組竹地板的生產(chǎn)性試驗，并研究了重組竹地板的阻燃特性，可為重組竹在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

竹束：毛竹炭化竹束，長度為1 930 mm，含水率8%～10%。膠黏劑：水溶性酚醛樹脂膠黏劑，固含量為48%～50%，pH值10.50，加水稀釋至固含量為24%～26%。阻燃劑配料：磷酸氫二銨（工業(yè)級），含量≥99%；硼酸（工業(yè)級），含量≥99%。

1.2 復(fù)配阻燃劑的制備

按照m（磷酸氫二銨）∶m（硼酸）＝6∶4的比例（前期實驗室研究確定的較佳配比）制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的復(fù)配阻燃劑水溶液。將稱好的磷酸氫二銨加入到溫度為70～80 ℃的反應(yīng)釜中，攪拌20～40 min后加入硼酸，持續(xù)攪拌和反應(yīng)60～90 min后，冷卻至30～40 ℃時卸料，并貯存。

1.3 阻燃和未阻燃處理重組竹地板的制備

采用冷固化法制備阻燃重組竹地板,其工藝如下：1）將長度為1 930 mm的毛竹炭化竹束放入盛有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%復(fù)配阻燃劑的池子中，在常壓下浸漬處理2 h后取出滴干，之后送入鏈?zhǔn)礁稍餀C(jī)中將阻燃浸漬處理后的竹束干燥至含水率8%～10%；2）阻燃竹束裝入浸膠籠中，之后置于浸膠池中浸漬固含量為24%～26%的酚醛樹脂膠黏劑8～10 min，浸膠過程中用比重計測試膠液比重的變化，并不斷調(diào)整使其保持在1.06左右，浸膠竹束經(jīng)滴膠后在鏈?zhǔn)礁稍餀C(jī)中干燥至含水率12%～15%；3）將干燥后的阻燃浸膠竹束順紋組坯于模具中，在冷壓機(jī)中壓制成竹方材，之后將竹方材送入熱固化窯中，在125 ℃左右溫度下固化11～12 h；4）將固化好的竹方材自然放置2周，之后開片制得未涂飾的毛竹阻燃重組竹地板。此外，將未作阻燃處理的竹束裝入浸膠籠中，之后的工藝與制備阻燃重組竹地板的相同，由此制得未阻燃處理重組竹地板用于對比研究。

1.4 阻燃性能測試

將未涂飾的阻燃和未阻燃處理重組竹地板加工成尺寸規(guī)格為100 mm×100 mm（長×寬）的試件，并將其調(diào)制到質(zhì)量恒重后密閉保存。采用錐形量熱儀(CONE)測試阻燃和未阻燃處理重組竹地板的阻燃性能，試驗的熱輻射功率為50 kW/m2，溫度為728 ℃，人工記錄試樣點燃時間(TTI)，其他數(shù)據(jù)由錐形量熱儀(CONE)的專用軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱釋放速率

阻燃和未阻燃處理重組竹地板的熱釋放速率（HRR）曲線，如圖1所示。

圖1 阻燃和未阻燃處理重組竹地板的熱釋放速率Fig.1 HRR of fire-retardant and nonfire-retardant bamboo scrimber flooring

熱釋放速率（HRR）又稱火強(qiáng)度，HRR越大，材料發(fā)生火災(zāi)的危險性也越大[14-16]；HRR越小，材料越不容易燃燒，阻燃性能也就越好。若要制得阻燃性能優(yōu)異的重組竹地板，就要盡量想法降低HRR。從圖1可以看出，阻燃重組竹地板的熱釋放速率明顯低于未阻燃處理重組竹地板，經(jīng)錐形量熱儀測得前者的熱釋放速率比后者降低了22.0%，也就是說阻燃重組竹地板的熱解速度和熱解時生成可燃性揮發(fā)產(chǎn)物的速度均比未阻燃處理重組竹地板要低得多。

此外，通常HRR曲線的兩個放熱峰分別對應(yīng)于材料點燃時的短暫有焰燃燒過程和出現(xiàn)較高火焰時的燃燒過程[15]，因而降低第2放熱峰的峰值是提高材料阻燃性能的有效方法。從圖1可知，阻燃重組竹地板的第1放熱峰和第2放熱峰的峰值均小于未阻燃處理重組竹地板，其中阻燃重組竹地板的第1個放熱峰的峰值約為未阻燃處理重組竹地板的89.8%，第2個放熱峰的峰值約為未阻燃重組竹地板的78.9%；阻燃重組竹地板的第2放熱峰比未阻燃重組竹地板出現(xiàn)的時間延遲1.5 min。故一旦發(fā)生建筑火災(zāi)，阻燃重組竹地板強(qiáng)火到來的時間比未阻燃重組竹地板減少了1.5 min，這就為人員撤離火災(zāi)現(xiàn)場或滅火提供了寶貴的時間，可相應(yīng)減少火災(zāi)帶來的損失。

綜上所述，阻燃重組竹地板比未阻燃處理重組竹地板的阻燃性能好得多，這主要是因為復(fù)配阻燃劑的加入抑制了熱量釋放的速度。此外，由于復(fù)配阻燃劑具有一定的吸濕性，使得竹束在施加酚醛樹脂膠黏劑的過程中吸收了更多的膠液，也就加大了阻燃重組竹地板中膠黏劑的施加量（增加約5%～8%）[12]，由于該試驗熱輻射功率為50 kW/m2時的燃燒溫度為728 ℃，而酚醛樹脂膠黏劑在700 ℃以后的失重幾乎沒有太大的變化[17，18]，故酚醛樹脂膠黏劑含量的增加相應(yīng)降低了阻燃重組竹地板在燃燒中的熱釋放速率。

2.2 總熱釋放量

阻燃和未阻燃處理重組竹地板的總熱釋放量（THR）曲線，如圖2所示。

圖2 阻燃和未阻燃處理重組竹地板的總熱釋放量Fig.2 THR of fire-retardant and non-fireretardant bamboo scrimber flooring

從圖2可以看出，在整個燃燒試驗的過程中，隨著時間的延長，阻燃和未阻燃處理重組竹地板的總熱釋放量（THR）都增加，且阻燃重組竹地板的總熱釋放量始終都比未阻燃處理重組竹地板低，這與HRR曲線的變化規(guī)律相符。由于THR表示材料在整個燃燒過程中所釋放熱量的總和， 因而THR越小，材料所釋放的熱量也就越小，材料的阻燃性能也越好。故對材料進(jìn)行阻燃處理時，就是要采用各種措施盡可能多地降低材料燃燒過程中所釋放熱量的總和，這樣其阻燃性能才相應(yīng)得到提高。在圖2中，錐形量熱儀測得的阻燃重組竹地板的總熱釋放量約為未阻燃處理重組竹地板的75.8%，比未阻燃處理重組竹地板降低了24.2%。

總之，竹束經(jīng)阻燃處理后再制成重組竹地板能較大幅度地提高其阻燃性能，從而減小發(fā)生建筑火災(zāi)的危險性。主要原因是復(fù)配阻燃劑抑制了重組竹的燃燒，從而降低了總熱釋放量。而且由于復(fù)配阻燃劑的加入導(dǎo)致阻燃劑重組地板的酚醛樹脂膠黏劑的含量大于未阻燃處理重組竹地板，相應(yīng)降低了重組竹地板燃燒中的總熱釋放量。

2.3 有效燃燒熱

通常有效燃燒熱（EHC）的數(shù)值越低，材料越不易燃燒，阻燃性能也越好。阻燃和未阻燃處理重組竹地板的有效燃燒熱（EHC）曲線如圖3所示。從圖3可知，阻燃重組竹地板的有效燃燒熱值低于未阻燃處理重組竹地板，這表明阻燃重組竹地板在燃燒過程中可燃性物質(zhì)的產(chǎn)量要低于未阻燃處理重組竹地板，同時也表明復(fù)配阻燃劑能有效抑制阻燃重組竹地板的熱解，因而使得阻燃重組竹地板比未阻燃處理重組竹地板的阻燃性能好。

圖3 阻燃和未阻燃處理重組竹地板的有效燃燒熱Fig.3 EHC of fire-retardant and nonfire-retardant bamboo scrimber flooring

從圖3可以看出，有效燃燒熱曲線上下波動的幅度很大，呈現(xiàn)“鋸齒狀”。這可能是因為：重組竹地板的基本構(gòu)成單元竹束是由竹篾經(jīng)碾壓加縫制而成的，由于竹材固有的徑小、壁薄、尖削度大等缺點，使得竹篾的寬度大小不一、厚薄不均，從而致使其制造的重組竹地板的密度分布、厚度大小等存在較大偏差，相應(yīng)導(dǎo)致阻燃和未阻燃處理重組竹地板熱解所生成的可燃性物質(zhì)的產(chǎn)量相差較大，最終導(dǎo)致有效燃燒熱曲線呈現(xiàn)“鋸齒狀”波動的現(xiàn)象。此外，從圖3可知，在EHC曲線上，與HRR曲線第2放熱峰前后相對應(yīng)階段的波動幅度更大。出現(xiàn)這種情況的原因可能是：此時阻燃和未阻燃處理重組竹地板已經(jīng)進(jìn)入到紅熱燃燒階段，在此階段重組竹地板已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樘浚康膹?qiáng)度較低、性脆、內(nèi)部極易發(fā)生龜裂，使得重組竹地板的瞬間質(zhì)量損失較大或者重組竹地板的質(zhì)量損失速率較大，從而導(dǎo)致EHC曲線上下變化的幅度很大。

2.4 點燃時間

試驗表明，阻燃和未阻燃處理重組竹地板的點燃時間（TTI）分別為40 s和30 s，前者是后者的133.3%，也就是說重組竹地板經(jīng)過阻燃處理后的點燃時間延長了33.3%，這說明在燃燒試驗過程中，阻燃重組竹地板表面產(chǎn)生有焰燃燒所需的持續(xù)點火時間比未阻燃處理重組竹地板高。故阻燃重組竹地板比未阻燃處理重組竹地板更不容易被點燃，也就更不易燃燒。因此，阻燃重組竹地板具有更好的阻燃性能。

2.5 質(zhì)量損失速率

阻燃和未阻燃處理重組竹地板的質(zhì)量損失速率（MLR）曲線，如圖4所示。

圖4 阻燃和未阻燃處理重組竹地板的質(zhì)量損失速率Fig.4 MLR of fire-retardant and non-fire-retardant bamboo scrimber flooring

由圖4可知，阻燃重組竹地板的質(zhì)量損失速率低于未阻燃重組竹地板，也就是說阻燃重組竹地板的熱失重速率低于未阻燃處理重組竹地板，因而阻燃重組竹地板的阻燃性能優(yōu)于未阻燃重組竹地板。這主要是因為復(fù)配阻燃劑的加入降低了重組竹地板在燃燒試驗過程中發(fā)生熱解反應(yīng)的速度。另外，由于阻燃重組竹地板中的酚醛樹脂膠黏劑的含量大于未阻燃處理重組竹地板，在相同密度下的重組竹地板中竹材原料的比例就更低，由于竹材在700 ℃之后大多被分解，而酚醛樹脂在700 ℃之后分解基本結(jié)束[17,18]，故酚醛樹脂膠黏劑含量的增加相應(yīng)降低了阻燃重組竹地板燃燒中的質(zhì)量損失速率。此外，對比MLR曲線與HRR曲線可知，兩者的變化情況相似，這說明阻燃和未阻燃處理重組竹地板在燃燒時熱量釋放的快慢和其質(zhì)量損失的快慢基本同步，由此可推知，重組竹地板發(fā)生有焰燃燒時釋放熱量的最快時期，也就是其熱解產(chǎn)生可燃性物質(zhì)的最快時期。另外，從圖4可以看出，MLR曲線上下起伏變化很大，究其原因可能是因為阻燃和未阻燃處理重組竹地板本身存在密度分布不均、竹束形狀大小有差異等缺點，導(dǎo)致其在燃燒試驗過程中在不同時間的失重率不同，從而在MLR曲線上表現(xiàn)出較大波動的情況。

2.6 殘余物質(zhì)量

阻燃和未阻燃處理重組竹地板的殘余物質(zhì)量（Mass）曲線，如圖5所示。

圖5 阻燃和未阻燃處理重組竹地板的殘余物質(zhì)量Fig.5 Mass of fire-retardant and non-fireretardant bamboo scrimber flooring

由圖5可知，阻燃重組竹地板的殘余物質(zhì)量始終大于未阻燃處理重組竹地板，在前12 min時間內(nèi)兩者質(zhì)量相差不大，在12 min左右時甚至相差無幾，自12 min開始到試驗結(jié)束期間，兩者質(zhì)量的差距隨著燃燒試驗時間的延長逐漸增大。這可能是因為在燃燒試驗的前12 min，阻燃和未阻燃處理重組竹地板都處于熱解最快的有焰燃燒階段，且以竹材熱解為主，酚醛樹脂熱解為輔，加之兩者制造時的竹束用量相同，從而導(dǎo)致它們的熱失重相差較小，甚至非常接近。而在12 min之后進(jìn)入紅熱燃燒階段，此時的殘余物主要是炭。究其原因，主要是因為阻燃劑有利于加強(qiáng)成炭作用，相應(yīng)增加了炭的生產(chǎn)量，導(dǎo)致阻燃重組竹地板的殘余物質(zhì)量高于未阻燃重組竹地板。此外，阻燃重組竹地板中的酚醛樹脂膠黏劑的含量大于未阻燃處理重組竹地板，而酚醛樹脂膠黏劑含量的增加相應(yīng)降低了阻燃重組竹地板燃燒中的質(zhì)量損失。

2.7 殘?zhí)啃螤?/h3>

圖6 阻燃和未阻燃處理重組竹地板的殘?zhí)啃螤頕ig.6 Shapes of the residual carbon of fire-retardant and non-fire-retardant bamboo scrimber flooring

阻燃和未阻燃處理重組竹地板燃燒后的殘?zhí)啃螤睿鐖D6所示。從圖6可知，阻燃重組竹地板燃燒后的殘余物為基本保持試件原有形狀的比較規(guī)整的黑色炭塊，而未阻燃處理重組竹地板燃燒后的殘余物主要為灰白色的粉灰和少量形狀較規(guī)整的淺灰色炭塊；同時，阻燃重組竹地板的塊狀殘?zhí)康挠捕?、?qiáng)度也都超過未阻燃處理重組竹地板。這表明，阻燃劑能有效促進(jìn)重組竹地板的炭生成量的增加，而成炭有利于降低重組竹地板的熱釋放，故阻燃重組竹地板的阻燃性能比未阻燃處理重組竹地板更好。由于重組竹地板是由竹束和酚醛樹脂膠黏劑膠合而成的，因而重組竹地板燃燒后的殘?zhí)啃螒B(tài)與竹材有較大差異。通常竹材燃燒后的殘?zhí)恐饕獮闊o定形炭，其硬度和強(qiáng)度都較低，而重組竹地板燃燒后的殘?zhí)坑芍癫男纬傻臒o定形炭和酚醛樹脂膠黏劑形成的玻璃炭所組成，由于復(fù)配阻燃劑的吸濕性導(dǎo)致阻燃重組竹地板中酚醛樹脂膠黏劑的施加量比未阻燃處理重組竹地板增加了約5%～8%[12]，故阻燃重組竹地板燃燒后玻璃炭的含量高于未阻燃重組竹地板。因此，阻燃重組竹地板殘?zhí)康挠捕?、?qiáng)度都高于未阻燃處理重組竹地板。

3 結(jié)論

1）竹束經(jīng)過阻燃處理后制備的重組竹地板與未經(jīng)阻燃處理制備的重組竹地板相比,熱釋放速率降低22.0%，總熱釋放量降低24.2%，點燃時間延長33.3%，有效燃燒熱和質(zhì)量損失速率明顯降低。阻燃重組竹地板具有更好的阻燃性能。

2）復(fù)配阻燃劑的加入增加了阻燃重組竹地板中酚醛樹脂膠黏劑的施加量，阻燃重組竹地板中酚醛樹脂含量的增加有利于其阻燃性能的提高。

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