5種竹材阻燃劑阻燃效果對(duì)比研究

李 能，陳玉和，翁甫金，吳再興，李景鵬，何 盛，于海涵，羅 雷

(1.國(guó)家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012； 2.浙江省竹子高效重點(diǎn)加工實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；3.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023； 4.湖北省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，湖北 武漢 430079)

中國(guó)竹資源豐富，素有“竹子王國(guó)”之稱，2013年大徑竹產(chǎn)量為18.77億根，竹木加工及制品制造業(yè)產(chǎn)值更是高達(dá)9 973.33億元，其中竹地板產(chǎn)量為0.81億m2 [1-2]。竹資源是最具有發(fā)展前景的森林資源之一，是一種可再生和可繼續(xù)利用的生物質(zhì)材料。竹子具有生長(zhǎng)快、生物量大、再生能力強(qiáng)、一次栽植、永續(xù)利用等特征。竹材紋理美觀、強(qiáng)重比高、可加工性強(qiáng)，深受人們喜愛[3-4]。竹材主要應(yīng)用范圍包括：地板、家具、結(jié)構(gòu)材和裝修材等領(lǐng)域。竹材是易燃性生物質(zhì)材料，一般需經(jīng)過(guò)阻燃處理才能達(dá)到強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB20286-2006)要求的公共場(chǎng)所裝飾裝修用材料的阻燃級(jí)別[5]。竹材阻燃處理方法主要有浸注法、表面涂覆法、機(jī)械添加法、化學(xué)改性法，竹材常用的阻燃劑有磷氮系、氮磷硼復(fù)合系、樹脂型阻燃劑等[6-11]，由于鹵系阻燃劑燃燒時(shí)易產(chǎn)生大量煙霧和有毒氣體，用量已逐步減少[12]。本文主要測(cè)試分析了5種自制的含有氮、硼等元素的化合物制備得到的阻燃劑處理竹材后的阻燃性能，阻燃劑處理工藝采用浸注法，阻燃效果采用氧指數(shù)表征。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

阻燃劑為自制，分別為FRA、FRB、FRC、FRD、FRE。FRA：25%，氮系阻燃劑，清亮溶液；FRB：20%，含硼，透明溶液；FRC：25%，含硼、鋅、氨，白色溶液；FRD：25%，含硼、氨，淺白色溶液；FRE：25%，絳紅色溶液，不透明。

試樣有3種：竹片(長(zhǎng)×寬×厚)100 mm×16.8 mm×2.4 mm，竹條(長(zhǎng)×寬×厚)100 mm×7.5 mm×1.1 mm，竹片竹條均不含竹節(jié)；楊木單板(長(zhǎng)×寬×厚)100 mm×75 mm×0.9 mm，主要用于對(duì)照。3種試樣含水率為8.0%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1阻燃試樣制備 制作試樣，隨機(jī)分成5組，標(biāo)記為①②③④⑤；對(duì)應(yīng)浸漬阻燃劑FRA、FRB、FRC、FRD、FRE，每種材料分別稱量、記錄。配置上述5種阻燃劑溶液，每種800 g，盛放在1 000 mL燒杯中，室內(nèi)溫度25 ℃。將試件置入燒杯，加玻璃片若干壓頂，使試件可全部沒入溶液中，標(biāo)記此時(shí)液面位置，以便根據(jù)蒸發(fā)情況加水，保持溶液濃度基本不變。隔24 h取出稱量，兩次稱重質(zhì)量變化≤1%時(shí)取出試樣，制備得到阻燃試樣。

1.2.2試樣載藥率計(jì)算 試樣浸注前質(zhì)量為m0，浸注完成時(shí)試樣質(zhì)量為m1，阻燃處理后的試樣置于101 ℃干燥箱干燥至絕干，此時(shí)試樣質(zhì)量為m2，試樣浸注前含水率為8.0%，載藥率FR%計(jì)算方法如公式1。

(1)

1.2.3氧指數(shù)測(cè)定 浸注后的試樣置于室內(nèi)環(huán)境中干燥1天后，轉(zhuǎn)移到溫度為23 ℃和濕度為50%的恒溫恒濕箱中，調(diào)溫調(diào)濕96 h后取出試件，竹片、竹條和楊木單板的含水率分別為7.48%、7.81%和7.99%。參照GBT 2406.2-2009測(cè)試方法采用氧指數(shù)測(cè)定儀(JF-4，南京市江寧區(qū)分析儀器廠)測(cè)試試樣的氧指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 載藥率分析

圖1是竹片、竹條和楊木單板在5種阻燃劑浸漬后的載藥率。由圖1可知：楊木單板的載藥率遠(yuǎn)高于竹片和竹條，楊木單板的平均載藥量分別是竹片和竹條的10.6和6.8倍。這是由于楊木單板材質(zhì)疏松[13]、密度低導(dǎo)致藥劑容易滲透到木材內(nèi)部，細(xì)胞壁薄腔大儲(chǔ)藥量大；而竹材主要由纖維、基本組織、維管束、導(dǎo)管等組成[14]，基本無(wú)橫向組織，纖維細(xì)胞腔極小，藥劑很難透過(guò)纖維細(xì)胞滲透，沒有橫向組織導(dǎo)致藥劑很難橫向滲透，竹黃竹青部分也降低了藥劑的滲透率，這些竹材組織和結(jié)構(gòu)影響了竹材藥劑的滲透。竹條阻燃劑載藥率比竹片載藥率高，這可能是由于竹條的體積小于竹片，表面積增加有利于藥劑的滲透率提高。阻燃劑FRC在竹片和竹條中滲透性最好，載藥率分別達(dá)到了5.3%和7.5%，其次是阻燃劑FRA和FRD，阻燃劑FRB竹片和竹條的載藥量比較低，其值分別為1.9%和3.6%。

2.2 氧指數(shù)分析

氧指數(shù)測(cè)定是一種廣泛運(yùn)用于篩選阻燃劑的配方、判定材料的燃燒性能的方法。氧指數(shù)試驗(yàn)是測(cè)量試樣在氧、氮混合氣體中剛好維持燃燒時(shí)所需的最低氧濃度。氧指數(shù)測(cè)定方法具有簡(jiǎn)便、重復(fù)性較好等優(yōu)點(diǎn)。圖2為5種阻燃劑浸漬竹木材后制備的試樣的氧指數(shù)值。對(duì)照試樣楊木單板的平均氧指數(shù)普遍高于竹片和竹條的氧指數(shù)，楊木單板的平均氧指數(shù)約為竹片和竹條的1.8和1.9倍。阻燃劑FRA、FRB、FRC和FRD處理的楊木單板氧指數(shù)遠(yuǎn)高于同種藥劑處理的竹片和竹條試樣，阻燃劑FRE處理的楊木單板弱高于同種藥劑處理的竹片和竹條試樣，僅高約1%。相對(duì)于楊木單板載藥率與竹片、竹條載藥率之間差異，氧指數(shù)值在楊木單板與竹片、竹條的差異要小很多，這說(shuō)明載藥量提高一定程度上可以提高材料的阻燃性能，但是阻燃性能與載藥量并不成正比例關(guān)系。阻燃劑FRB載藥量在5種阻燃劑中排名第4，僅高于阻燃劑FRE，但是阻燃劑FRB竹片和竹條的氧指數(shù)是5種阻燃劑中最高的，分別為40.1%和38.2%。這說(shuō)明阻燃劑FRB是本文研究的5種竹材阻燃劑之中阻燃性能最優(yōu)的。

圖1 5種阻燃劑在竹片、竹條和楊木單板上的載藥率Fig.1 The loading efficiency of bamboo chips，bamboo sticks and wood veneer for 5 kinds of flame retardants

圖2 5種阻燃劑處理后的試樣氧指數(shù)值Fig.2 The oxygen index of samples treated with 5 kinds of flame retardants

圖3 阻燃劑載藥量與試樣氧指數(shù)關(guān)系圖Fig.3 The relationship between the flame retardant loading and the sample oxygen index

2.3 載藥率與氧指數(shù)相關(guān)性分析

圖3為試樣浸漬阻燃劑的載藥量與其氧指數(shù)的相關(guān)分析圖。由圖3可知：阻燃劑載藥量與試樣阻燃性能呈現(xiàn)正相關(guān)，預(yù)測(cè)氧指數(shù)與實(shí)測(cè)氧指數(shù)存在一定的相似度。浸漬阻燃劑FRE的楊木單板載藥量為45.3%、氧指數(shù)為30.1%，實(shí)測(cè)氧指數(shù)與預(yù)測(cè)氧指數(shù)相差較大，這可能是由于阻燃劑FRE的阻燃效果較差，載藥量增加時(shí)阻燃性能變化不明顯。相對(duì)于阻燃劑FRE載藥量?jī)H為1.3%和3.4%竹片和竹條試樣，楊木單板試樣氧指數(shù)值呈現(xiàn)略微增長(zhǎng)，增長(zhǎng)量為1%。

從圖1看，竹片載藥率低于竹條(FRE除外)，而從圖2看，竹片氧指數(shù)并不低于(FRB、FRD甚至高于)竹條，這可能與氧指數(shù)測(cè)定時(shí)試樣的尺寸效應(yīng)有關(guān)，燃燒時(shí)較大規(guī)格的竹片表面炭化，而炭的極限氧指數(shù)高達(dá)65%，故一定程度上使測(cè)得的氧指數(shù)增大。

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)：5種竹材阻燃劑中阻燃劑FRB阻燃效果最佳，其浸注處理的竹片和竹條的氧指數(shù)分別為40.1%和38.2%。阻燃劑FRB處理的竹片和竹條載藥率僅為1.9%和3.6%，可見如何提高阻燃劑FRB在竹材總的滲透性仍需進(jìn)一步研究。阻燃劑載藥量與試樣阻燃效果一定程度上呈現(xiàn)正相關(guān)。

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