貼面工藝對(duì)合成板材燃燒性能的影響*

李 德，黃冬梅，何理輝，許之浩，陳 晨，沈一鳴，王超逸，韓 磊

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省家具與五金研究所,浙江 杭州 311100；3.中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100142)

0 引言

木材是日常生活中使用最為廣泛的建筑、家居材料[1]，但由于天然木材資源短缺，近年來(lái)人造板使用量大大提升。常見(jiàn)的合成板包括膠合板、中密度板、刨花板等，其基料常由植物碎料、纖維素等組成[2-4]，一定程度上保留了木質(zhì)材料的基本性質(zhì)。常見(jiàn)木材類(lèi)材料燃燒性能的測(cè)試方法有煙密度、單體燃燒法、極限氧指數(shù)測(cè)試法、錐形量熱儀法等[5]。錐形量熱儀表征燃燒性能應(yīng)用更為廣泛，衡量參數(shù)與指標(biāo)更加全面[6]。學(xué)者對(duì)部分天然木材的燃燒性能進(jìn)行了大量研究，例如松木[7-8]、櫸木[8]、杉木[9-10]、楊木[9,11]等。盧國(guó)建等[7]以松木為研究對(duì)象，探究了其阻燃處理前后燃燒性能的變化，結(jié)果表明，普通木材燃燒會(huì)出現(xiàn)2個(gè)熱釋放速率峰值，經(jīng)過(guò)阻燃處理的松木的燃燒波峰出現(xiàn)時(shí)間推遲。張瑩等[8]用錐形量熱儀法探究了櫸木、松木的燃燒性能，指出聚磷酸銨阻燃劑是利用揮發(fā)物中的PO游離基捕獲火焰中的OH、H游離基。吳玉章等[9]探究了杉木、楊木、馬尾松的燃燒性能，研究表明釋熱與失重變化相關(guān)，木材在碳化結(jié)束后煙氣量最大，同時(shí)樣品的厚度對(duì)第2釋熱峰的影響較大，而對(duì)點(diǎn)火時(shí)間、總釋熱量影響不大。蒙旺等[11],戚虎成等[12]用浸漬阻燃法處理杉木和青楊，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)阻燃處理后的樣品熱釋放速率峰值不明顯。此外，基于對(duì)天然木材的研究，近年來(lái)，合成板材也備受關(guān)注。張麗娟[13]對(duì)常用裝飾裝修板材(實(shí)木板、三合板、多層板、高密度板、中密度板、低密度板)進(jìn)行研究，結(jié)果表明實(shí)木板熱釋放速率、生煙量相對(duì)較低、火災(zāi)危險(xiǎn)性相對(duì)最小。Shu 等[14]探究了竹地板燃燒性能，結(jié)果表明竹地板覆蓋層較木質(zhì)覆蓋層危險(xiǎn)性更大；對(duì)木塑復(fù)合材料進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn)，WPC釋熱與發(fā)煙高于普通林木材。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)天然木材燃燒特性方面的研究較多，合成板材也有涉及，但關(guān)于合成板材貼面材質(zhì)對(duì)樣品燃燒特性方面的研究較少。同時(shí)，近年來(lái)，為了滿足人們對(duì)功能、美觀度等方面的需求，貼面處理后的合成板需求越來(lái)越多。因此，本文利用錐形量熱儀法探究不同貼面處理技術(shù)對(duì)合成板燃燒性能的影響，以判斷在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其火災(zāi)危險(xiǎn)性大小。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1)合成板材：膠合板、中密度板、刨花板，由浙江省木材研究所提供。

2)游標(biāo)卡尺：尺寸為150 mm×0.02 mm，由杭州華益工具量具有限公司提供。

3)電子秤：精度為0.1 mg，由舜宇恒平儀器制造提供。

4)切割機(jī)：由邢臺(tái)創(chuàng)拓機(jī)械制造有限公司提供。

5)錐形量熱儀：3092820，由英國(guó)STANTON REDCROFT公司提供，如圖1所示。

圖1 錐形量熱儀Fig.1 Cone calorimeter

1.2 試驗(yàn)方法

ISO5600-1錐形量熱儀法是目前較為先進(jìn)、可信度較高的一種表征材料燃燒性能的方法，其基于氧耗法測(cè)試樣品的燃燒性能。在試驗(yàn)開(kāi)始前，用切割機(jī)將大塊人造板切割成尺寸為100 mm×100 mm的小塊，用游標(biāo)卡尺選取厚度為10 mm的材料作為待測(cè)樣品，同時(shí)用電子天平測(cè)量初始質(zhì)量。樣品準(zhǔn)備完成后，在錐形量熱儀標(biāo)配樣品盒底部墊隔熱板，避免樣品盒底部高溫對(duì)稱(chēng)量裝置的影響。在樣品盒內(nèi)部鋪錫箔紙，避免燃燒過(guò)程中殘余物掉落，污染樣品盒與試驗(yàn)臺(tái)。準(zhǔn)備完成后，依據(jù)ISO5600-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)在表面施加一定輻射熱流，用錐量自帶點(diǎn)火器點(diǎn)燃待測(cè)樣品。在錐形量熱儀測(cè)試過(guò)程中，伴隨著大量的熱量與煙氣的產(chǎn)生，因此，錐量試驗(yàn)臺(tái)外側(cè)有玻璃罩防護(hù)、錐量試驗(yàn)臺(tái)火焰上方有煙氣收集及排放裝置，確保試驗(yàn)安全進(jìn)行。

燃燒過(guò)程往往涉及許多參數(shù)變化，例如熱釋放速率、失重速率、排煙量等，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，以便進(jìn)一步比較與分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

本文選取3種常見(jiàn)的合成板材：膠合板、中密度板、刨花板作為研究對(duì)象。通過(guò)分析熱釋放速率、總釋放熱、質(zhì)量損失、生煙總量、CO2產(chǎn)率對(duì)比3種常見(jiàn)合成板材經(jīng)過(guò)貼薄木片、貼浸漬紙?zhí)幚砗笕紵阅艿淖兓栽u(píng)定經(jīng)過(guò)表面處理技術(shù)處理后的合成板材的火災(zāi)危險(xiǎn)性。

2.1 熱釋放速率

材料放熱率是材料在輻射通量的作用下釋放的熱量，其中峰值熱釋放速率是一個(gè)重要的參數(shù)，其值越大，證明材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性越高。合成板材樣品被點(diǎn)燃后，熱釋放速率迅速增大至第1個(gè)峰值。由于合成板材的基料選自木材、木質(zhì)纖維素、植物纖維等，被點(diǎn)燃后迅速碳化，在樣品表面形成了1個(gè)碳化層，碳化層阻礙了底部熱量的傳輸，因此曲線達(dá)到第1個(gè)峰值后下降。隨著燃燒的繼續(xù)進(jìn)行，生成的熱量與可燃?xì)怏w不斷堆積，直至碳層被破壞后，燃燒愈加劇烈。隨后，熱釋放速率波動(dòng)增加，直至到達(dá)第2個(gè)峰值。不同合成板材的峰值數(shù)值及貼面處理后的峰值數(shù)值等參數(shù)的變化情況如表1所示。

圖2為不同板材的熱釋放速率，如圖2所示，其中膠合板的波動(dòng)頻率最大，說(shuō)明其燃燒較不穩(wěn)定，這是由于受到膠合板的膠合工藝及基材自身的性質(zhì)影響。膠合板經(jīng)過(guò)貼薄木片、貼浸漬紙?zhí)幚砗?，燃燒時(shí)間延長(zhǎng)，峰值均降低。貼薄木片處理后，膠合板的第1峰值熱釋放速率由316.12 kW/m2下降到203.65 kW/m2，下降了35.58%，而貼浸漬紙?zhí)幚砗?，膠合板的第1峰值熱釋放速率由316.12 kW/m2下降到148.30 kW/m2，下降了53.09%；貼薄木片、貼浸漬紙?zhí)幚砗竽z合板的第2峰值由382.61 kW/m2分別下降到184.66，179.52 kW/m2，下降比例約為51.73%，53.08%。這說(shuō)明，在燃燒前期，相較于薄木片，貼浸漬紙?zhí)幚砑夹g(shù)能更大幅度降低膠合板熱釋放速率，而在燃燒后期二者效果相近。

表1 熱釋放速率相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of heat release rate

中密度板貼薄木片與貼浸漬紙?zhí)幚砗螅谌紵捌?，熱釋放速率?45.73 kW/m2分別下降到185.48，173.63 kW/m2，下降幅度相近。不同的是，中密度板貼浸漬紙后，在燃燒后期熱釋放速率比未貼面處理后的板材高，貼薄木片處理反之。刨花板經(jīng)過(guò)貼浸漬紙?zhí)幚砗?，熱釋放速率?個(gè)峰值處都增加，而刨花板表面貼薄木片處理后，其熱釋放速率降低。

圖2 熱釋放速率Fig.2 Heat release rate

膠合板經(jīng)貼面處理后的熱釋放速率變化較為明顯，在第200～630 s熱釋放速率變化為50～100 kW/m2，燃燒比較穩(wěn)定。而中密度板和刨花板并未出現(xiàn)此穩(wěn)定燃燒期。貼面工藝對(duì)板材熱釋放速率的影響如圖3所示，貼面層燃燒形成了碳層附著于板材表面，減少了熱量損失，因此熱釋放速率降低。

圖3 貼面工藝對(duì)板材熱釋放熱量影響示意Fig.3 Schematic diagram for influence of veneering technology on heat release of board

2.2 總釋放熱量

物質(zhì)的燃燒伴隨著熱量的變化，THR是燃燒過(guò)程中累積的總放熱量，THR的數(shù)值越大，證明材料被引燃后，釋放的熱量越大，累積熱量越大[6]。高熱量是火災(zāi)發(fā)生時(shí)的主要危害之一。因此，判斷樣品的THR值大小，可以預(yù)測(cè)其火災(zāi)危險(xiǎn)性大小，THR越大，火災(zāi)危險(xiǎn)性越大，反之則相反?？傖尫艧崃咳鐖D4所示，在整個(gè)燃燒過(guò)程中，曲線的THR值呈“S”形，即總釋放熱值先緩慢增長(zhǎng)，隨后快速增長(zhǎng)，最后又趨于緩慢增長(zhǎng)。膠合板經(jīng)過(guò)貼薄木片與浸漬紙?zhí)幚砗?，總釋放熱量明顯降低，貼浸漬紙?zhí)幚砗蟮哪z合板THR值略低于貼薄木片處理后的膠合板。中密度板貼浸漬紙與薄木片處理后THR值略有降低，貼浸漬紙?zhí)幚砗蟮闹忻芏劝錞HR下降幅度更大。刨花板經(jīng)過(guò)貼面處理后，THR值高低變化不明顯，反而，經(jīng)過(guò)貼浸漬紙?zhí)幚砗蟮呐倩ò逖娱L(zhǎng)了產(chǎn)熱時(shí)間。

2.3 質(zhì)量損失

樣品的質(zhì)量損失如圖5所示。樣品在燃燒過(guò)程中，質(zhì)量的變化反應(yīng)了燃燒的劇烈程度及樣品本身的耐燃性能[15]。圖5中，膠合板的質(zhì)量損失曲線斜率最大，說(shuō)明膠合板更易燃且燃燒劇烈。膠合板經(jīng)過(guò)貼薄木片與貼浸漬紙?zhí)幚砗?，曲線變緩，質(zhì)量損失率降低。中密度板貼面處理后，質(zhì)量損失率也降低。不同的是，相較于貼薄木片處理，中密度板貼浸漬紙?zhí)幚砗螅瑢?duì)中密度板的耐燃性能提高效果更顯著。刨花板的現(xiàn)象較為特殊，貼浸漬紙?zhí)幚砗?，刨花板的質(zhì)量損失率增大，而貼薄木片處理后，刨花板的質(zhì)量損失率降低。

圖4 總釋放熱量Fig.4 Total heat release

圖5 質(zhì)量損失Fig.5 Mass loss

合成板材燃燒后會(huì)生成殘?jiān)?。殘?jiān)闹饕煞质侨紵^(guò)程中生成的碳層，碳層對(duì)燃燒過(guò)程中的熱量釋放起到抑制作用，碳層量越多，一定程度可以推斷出阻燃效果越好。3種合成板材的殘?jiān)|(zhì)量如圖6所示。膠合板的質(zhì)量損失最低，燃燒最完全。貼薄木片、貼浸漬紙?zhí)幚砗蟮?種合成板材的殘?jiān)|(zhì)量均有增加，這可能是由于貼面面層自身性質(zhì)引起的。

圖6 殘?jiān)|(zhì)量Fig.6 Quality of residue

2.4 TSR值

TSR表示單位面積樣品燃燒過(guò)程中累計(jì)生煙總量，TSR值越小代表煙氣相對(duì)較少[6]。合成板材的TSR值變化規(guī)律相似。TSR值先增加，隨后到達(dá)平緩期，最后由平緩期再次增加。樣品的生煙總量如圖7所示，膠合板的TSR值最大，最大值為438.42 m2/m2。膠合板經(jīng)過(guò)貼薄木片、貼浸漬紙?zhí)幚砗?，最大TSR值為180.14，125.06 m2/m2，分別下降了58.91%，71.47%。中密度板最大TSR值為242.10 m2/m2，經(jīng)過(guò)貼薄木片、貼浸漬紙?zhí)幚砗?，最大TSR值為139.44，172.98 m2/m2，分別下降了42.40%，28.56%。刨花板的最大TSR值為100.60 m2/m2，經(jīng)過(guò)貼薄木片、貼浸漬紙?zhí)幚砗螅畲骉SR值分別增加至133.09，128.70 m2/m2，增加了24.41%，27.93%。煙氣排放量是衡量火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)之一。由以上數(shù)據(jù)分析可得，膠合板經(jīng)2種貼面工藝處理后TSR值都降低，貼浸漬紙效果更為明顯。中密度板經(jīng)2種貼面工藝處理后的抑煙效果雖不及膠合板，但仍在一定程度上減少了煙氣的排放量。貼面處理后的膠合板和中密度板排煙量的減少是因?yàn)橘N面材質(zhì)燃燒生成的附著層起到了抑煙作用，而刨花板因其自身結(jié)構(gòu)問(wèn)題，燃燒時(shí)產(chǎn)煙量較少，因此貼面層燃燒產(chǎn)生的附著層對(duì)整個(gè)板材的抑煙作用便沒(méi)有太大意義，反而因?yàn)橘N面層燃燒釋放的煙氣使得刨花板產(chǎn)煙量增大。

圖7 生煙總量Fig.7 Total smoke release

2.5 CO2產(chǎn)率

合成板材的原材料是木材、植物纖維素等，燃燒時(shí)與O2充分反應(yīng)生成CO2。在燃燒初期，CO2達(dá)到第1峰值，隨著燃燒的進(jìn)行，減弱后又再次增長(zhǎng)至第2峰值。曲線與HRR值曲線有著相似的變化規(guī)律，可見(jiàn)在合成板材燃燒的過(guò)程中，熱量的產(chǎn)生伴隨著CO2的釋放，CO2產(chǎn)率與有效燃燒熱呈正相關(guān)關(guān)系，即CO2濃度越高，有效燃燒熱也越大。合成板材CO2產(chǎn)率峰值如表2所示。

表2 CO2產(chǎn)率峰值Table 2 Peak value of CO2 yield

3種板材及貼面的第1峰值時(shí)間出現(xiàn)在50～100 s，第2峰值出現(xiàn)的時(shí)間差異性較大，這是由于合成板材自身性質(zhì)引起的。膠合板經(jīng)貼薄木片和貼浸漬紙?zhí)幚砗螅珻O2產(chǎn)率第1峰值分別下降了24.61%,46.60%，第2峰值分別下降了50.68%,48.99%；中密度板經(jīng)貼薄木片與貼浸漬紙?zhí)幚砗?，CO2產(chǎn)率第1峰值分別下降了13.87%,25.43%，貼薄木片第2峰值下降了23.03%，貼浸漬紙?jiān)黾恿?.21%。刨花板經(jīng)貼薄木片和貼浸漬紙?zhí)幚淼?峰值分別增加了19.64%,0.09%，貼薄木板后第2峰值下降了20.18%,貼浸漬紙?jiān)黾恿?.09%。膠合板經(jīng)過(guò)貼薄木片與貼浸漬紙?zhí)幚砗螅?峰值與第2峰值均下降。其中，膠合板貼浸漬紙?zhí)幚砗?，在燃燒初期釋放出的CO2較少，而膠合板貼薄木片處理后，在燃燒后期釋放的CO2較低。中密度纖維板貼薄木片處理后第1、第2峰值都下降，而中密度板貼浸漬紙?jiān)谌紵捌贑O2產(chǎn)量降低，而在燃燒后期CO2產(chǎn)量升高。刨花板本身CO2產(chǎn)量較小，經(jīng)2種貼面工藝處理后，CO2出現(xiàn)了短暫的突增，是因?yàn)橘N面層的燃燒造成了CO2的排放，后期由于貼面層燃燒完全,CO2排放量近似于未進(jìn)行貼面處理的刨花板的CO2排放量。

2.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

在各個(gè)燃燒性能指標(biāo)中，HRR值、質(zhì)量損失、CO2產(chǎn)量變化規(guī)律相似，一定程度上說(shuō)明CO2氣體的產(chǎn)生伴隨著熱量的生成。貼面處理后，在整個(gè)燃燒過(guò)程中，膠合板與中密度板的總釋放熱明顯減少。在材料總產(chǎn)煙方面，一方面，貼面面層材質(zhì)燃燒后生成附著物附著在樣品表面，阻礙煙氣的生成；另一方面，貼面面層本身也對(duì)煙氣有貢獻(xiàn)，因此，材料總產(chǎn)煙量變化取決于2方面貢獻(xiàn)的多少。經(jīng)過(guò)貼面處理后，膠合板與中密度板的TSR值明顯減少，而刨花板的TSR值增加。

3 結(jié)論

1)基于3種常用的合成板材，采用錐形量熱儀法探究了貼面處理技術(shù)(貼薄木片、貼浸漬紙)對(duì)合成板材燃燒性能的影響，從而評(píng)定板材的火災(zāi)危險(xiǎn)性。

2)HRR值與CO2變化規(guī)律相似，表明人工合成板材的燃燒過(guò)程中CO2的產(chǎn)生伴隨著大量熱量的釋放。

3)刨花板自身產(chǎn)煙量低，貼面處理后產(chǎn)煙量增加，煙氣危害性大。而膠合板、中密度板貼面處理后，抑煙效果相對(duì)明顯。

4)貼薄木片與貼浸漬紙技術(shù)明顯降低了膠合板的火災(zāi)危險(xiǎn)性；貼薄木片技術(shù)明顯降低了中密度板的火災(zāi)危險(xiǎn)性；貼浸漬紙?jiān)黾恿伺倩ò迮c中密度板的火災(zāi)危險(xiǎn)性。