復(fù)合阻燃劑對(duì)楊木膠合板性能的影響*

陳 杰 余麗萍 田美芬 王 英 龍治宇

（1.貴州大學(xué)林學(xué)院，貴陽 550025； 2.貴州杉王木業(yè)有限責(zé)任公司，貴陽 550025）

膠合板是我國人造板中的主導(dǎo)產(chǎn)品，因其具有強(qiáng)度高、容重比小、加工簡單，且能保持天然木材花紋等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于家具、建筑及室內(nèi)裝飾等領(lǐng)域。普通楊木膠合板是由速生楊木樹干旋切成單板，然后用膠黏劑將三層或多層單板膠合粘結(jié)而成[1]，屬于易燃材料。根據(jù)GB/T 8626—2007《建筑材料可燃性試驗(yàn)方法》規(guī)定，未經(jīng)阻燃處理的膠合板被列為B2級(jí)可燃性木質(zhì)材料[2]，其應(yīng)用越多，則火災(zāi)隱患越大。因此，膠合板制造中采用合適的阻燃劑對(duì)于提高產(chǎn)品附加值及其競爭力具有重要意義。

本研究用硼酸、磷酸、氯化銨、錳化物等藥劑復(fù)配制成濃度為15%的多元素復(fù)合阻燃劑，用該復(fù)合阻燃劑浸漬處理?xiàng)钅締伟鍓褐瞥赡z合板，通過對(duì)膠合板的燃燒性能及物理力學(xué)性能的測定，分析探討其對(duì)楊木膠合板性能的影響，以期通過該復(fù)合阻燃劑的處理有效提高膠合板的阻燃性能，降低其煙氣釋放量及煙氣毒性，為研發(fā)阻燃性能優(yōu)良且環(huán)保的膠合板提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

材料：楊木單板（Populusspp.），含水率為12%，規(guī)格：910 mm×300 mm×2.2 mm，購于灌南縣共興木業(yè)有限公司。

阻燃劑：通過前期大量預(yù)試驗(yàn)，確定用4%的錳化物、3%的磷酸、2%的硼酸和6%的氯化銨制備試驗(yàn)用復(fù)合阻燃劑。其中，硼酸（H3BO3）、磷酸（H3PO4）、氯化銨（NH4Cl），均為天津市永大化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；錳化物，上海阿拉丁生化科技股份有限公司產(chǎn)品。

膠黏劑：主劑為馬來西亞產(chǎn)脲醛膠粉（產(chǎn)品編號(hào)為C360），在膠粉中加入一定比例的水?dāng)嚢杈鶆蚝笫褂?，調(diào)配比例為膠粉：水=100:80，加入混合液重量0.5%的氯化銨飽和水溶液。

設(shè)備：人造板萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)MWB-W50，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；錐形量熱儀，型號(hào)FTT2000，英國FTT公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 楊木單板處理及膠合板制備

將楊木單板置于溫度為（60±5）℃的恒溫干燥箱中烘干至恒重，然后將其置于配制好的阻燃劑溶液中在室溫下浸泡5 h，取出后再于（90±5）℃的干燥箱中烘干至含水率為5%～9%備用。試驗(yàn)壓制的膠合板為五層膠合板，采用雙面涂膠，雙面涂膠量為220 g/m2，熱壓工藝參數(shù):溫度90～95 ℃，保壓時(shí)間15 min，壓力為15 kg/cm2。

1.2.2 阻燃楊木膠合板性能評(píng)價(jià)

燃燒性能和抑煙性能：用FTT2000型錐形量熱儀（Cone）測定試樣的燃燒性能，以50 kW/m2的熱輻射強(qiáng)度測試。根據(jù)ISO5660-1-2016"Reaction to fire testsheat release，smoke production and mass loss rate-part 1:heat release rate ( cone calorimeter method）"測定總釋放熱(THR)、熱釋放速率(HRR)、有效燃燒熱(EHC)、一氧化碳(CO)生成率（COY）和總煙釋放量（TSR）等指標(biāo),阻燃試件與空白試件各測試4個(gè)重復(fù)。

力學(xué)性能：參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》，測定膠合板的膠合強(qiáng)度（阻燃試件與空白試件各測試8個(gè)重復(fù)），彈性模量和靜曲強(qiáng)度（阻燃試件與空白試件各測試8個(gè)重復(fù)）。

甲醛釋放量:參照GB/T 17657—2013用干燥器法測定膠合板的甲醛釋放量，阻燃試件與空白試件各測試3組重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 燃燒性能

2.1.1 熱釋放速率（HRR）和總釋放熱（THR）

膠合板在燃燒過程中會(huì)不斷釋放熱量，熱量反作用于膠合板，加速膠合板的燃燒速度，因此HRR和THR越低則阻燃效果越好。從圖1可以看出，阻燃膠合板熱釋放速率峰值( pk-HRR)和平均熱釋放速率分別為134.37 kW/m2和80.20 kW/m2，空白膠合板的分別為187.13 kW/m2和108.85 kW/m2，阻燃組比空白組分別減小了28.19%和26.32%；且釋放時(shí)間相差較大，阻燃膠合板在燃燒128 s時(shí)熄滅，停止熱釋放，而空白膠合板在阻燃膠合板停止燃燒后繼續(xù)燃燒500 s左右，直至全部成碳,這是由于阻燃劑在燃燒過程中受熱而形成連續(xù)且緊密的碳層以隔絕空氣中的氧氣和熱量的傳遞，并生成了氨氣等大量不燃性氣體稀釋了可燃?xì)怏w,從而使其較早地停止了燃燒[3]。熱釋放速率和燃燒時(shí)間的大幅度降低可以延緩膠合板達(dá)到燃點(diǎn)溫度，從而延緩火勢的蔓延，降低膠合板的火災(zāi)危險(xiǎn)性。

圖1 楊木膠合板HRR曲線Fig.1 The HRR curves of poplar plywood

由圖2可知,阻燃膠合板和空白膠合板的釋放熱值幾乎同時(shí)開始上升，隨時(shí)間的增加，阻燃膠合板的總釋放熱明顯低于空白膠合板。阻燃膠合板總釋放熱為6.89 MJ/m2，空白膠合板總釋放熱為69.21 MJ/m2，與后者相比，前者降低了90.04%。其原因在于，膠合板經(jīng)阻燃劑處理后，阻燃性能得以提升，因而其燃燒時(shí)間縮短，熱釋放降低，極大地減緩了火災(zāi)中著火點(diǎn)周圍溫度的上升，有效延緩了火災(zāi)蔓延時(shí)間和速度。

圖2 楊木膠合板的THR曲線Fig.2 The THR curves of poplar plywood

2.1.2 有效燃燒熱（EHC）

有效燃燒熱（EHC）是指在某一時(shí)刻測得膠合板燃燒的熱釋放量與質(zhì)量損失量的比值，反映的是膠合板熱解產(chǎn)生的可燃性揮發(fā)物在氣相火焰中的氧化燃燒程度。圖3是阻燃膠合板和空白膠合板的有效燃燒熱對(duì)比圖，結(jié)果顯示：阻燃膠合板的有效燃燒熱峰值與均值與空白膠合板的相比，分別降低了22.34%和34.44%，說明阻燃膠合板在燃燒過程中揮發(fā)的可燃性物質(zhì)氧化燃燒程度相對(duì)于空白膠合板的要低，燃燒不完全，從而降低了有效燃燒熱的釋放，在燃燒過程中發(fā)揮了阻燃效果。

圖3 楊木膠合板的EHC曲線Fig.3 The EHC curves of poplar plywood

以上數(shù)據(jù)表明：經(jīng)過阻燃劑處理的膠合板阻燃效果較好，這是由于阻燃劑在受熱過程中分解吸熱降低膠合板表面的溫度，同時(shí)釋放出氮?dú)?、氨氣等不燃?xì)怏w隔絕或稀釋了氧氣，有效限制了膠合板的有焰燃燒；阻燃劑中含有磷酸，在燃燒過程中磷酸分解生成小分子磷酸或偏磷酸，促使有機(jī)材料脫水炭化并在材料表面形成致密炭層，使膠合板表層溫度降低并延緩火勢蔓延；此外阻燃劑中的硼酸在火焰中熔化，沿纖維形成玻璃體外層，可隔絕氧氣和熱量傳播等，從而提高了膠合板的阻燃性能[3-5]。

2.2 煙氣釋放量

火災(zāi)過程中產(chǎn)生的有毒氣體和煙氣會(huì)使人窒息或中毒死亡，因此應(yīng)對(duì)有毒氣體和總煙釋放量（TSR）進(jìn)行有效控制。

圖4 楊木膠合板的COY曲線Fig.4 The COY curves of poplar plywood

從圖4可看出，阻燃膠合板燃燒時(shí)間短，說明阻燃劑有明顯阻燃效果，空白膠合板一氧化碳生成率（COY）為0.118 6 kg/kg，阻燃膠合板的COY為0.115 6 kg/kg，比前者降低了2.53%。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，CO生成率減小，可使煙霧毒性降低，這意味著火災(zāi)中對(duì)人身安全的威脅也相應(yīng)減小。

由圖5可知，阻燃膠合板的總煙釋放量明顯低于空白膠合板。阻燃膠合板的總煙釋放量為35.42 m2/m2，相比空白膠合板的112.09 m2/m2，降低了68.40%，這是因?yàn)樽枞紕┲绣i化物和硼酸等均能有效降低煙氣產(chǎn)量，具有較好的抑煙性能[6]。

圖5 楊木膠合板的TSR曲線Fig.5 The TSR curves of poplar plywood

2.3 膠合板力學(xué)性能

對(duì)膠合板的膠合強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行檢測，結(jié)果如表1所示。

表1 膠合板力學(xué)性能檢測結(jié)果Tab.1 The mechanical properties of plywood /MPa

從表1可以看出，阻燃膠合板膠合強(qiáng)度較空白膠合板降低了1.10 MPa，但是仍滿足GB/T 9846—2015中膠合強(qiáng)度≥0.7 MPa的要求。試驗(yàn)采用阻燃劑溶液浸漬處理?xiàng)钅締伟?，在膠合板壓制過程中，阻燃劑對(duì)膠黏劑固化產(chǎn)生影響，同樣因?yàn)樽枞紕┑慕?，膠合板靜曲強(qiáng)度和彈性模量均有所降低，但是仍符合(當(dāng)9 mm≤t≤12 mm，靜曲強(qiáng)度≥28 MPa，彈性模量≥5 000 MPa）標(biāo)準(zhǔn)要求。這是由于氮磷阻燃劑具有一定的吸濕性，經(jīng)過阻燃處理的單板吸收了空氣中一定量的水分，表面潤濕，使膠液更易鋪展、滲透，導(dǎo)致膠合界面上膠量不足，從而對(duì)膠黏劑固化產(chǎn)生一定的影響[7]，進(jìn)而影響膠合板的膠合強(qiáng)度；阻燃劑浸入單板后改變了其表面粗糙度，使膠黏劑與板材表面結(jié)合受到影響，進(jìn)而影響到膠合板的膠合強(qiáng)度[8-9]、靜曲強(qiáng)度和彈性模量[10]。表1數(shù)據(jù)表明：阻燃劑對(duì)膠合板的物理性能有一定負(fù)面影響，但仍滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 甲醛釋放量

從圖6可以看出，空白膠合板的甲醛釋放量為19.90 mg/L，阻燃膠合板的為16.95 mg/L，雖然沒有達(dá)到E1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但經(jīng)過阻燃處理后的甲醛釋放量下降了14.82%，這是由于阻燃劑中的氨基與甲醛進(jìn)行反應(yīng)，帶走了板材中部分游離甲醛，進(jìn)而降低了膠合板甲醛釋放量。

圖6 楊木膠合板的甲醛釋放量Fig.6 The formaldehyde emission of poplar plywood

3 結(jié)論

以硼酸、磷酸、氯化銨、錳化物為主要成分配制復(fù)合阻燃劑，并用浸漬法處理?xiàng)钅締伟?，壓制膠合板，研究多元素復(fù)合阻燃劑對(duì)楊木膠合板性能的影響。結(jié)果表明：該阻燃劑對(duì)膠合板阻燃性能有積極影響。與未處理的普通楊木膠合板相比，該阻燃膠合板的熱釋放速率(HRR)降低了26.32%、總釋放熱(THR)降低90.04%，總煙釋放量（TSR）降低68.40%，同時(shí)甲醛釋放量降低了14.82%，說明該阻燃劑不僅有良好的阻燃效果和抑煙效果，還具有一定的甲醛捕捉能力。該阻燃劑對(duì)膠合板力學(xué)性能有一定的負(fù)面影響，板材的膠合強(qiáng)度、彈性模量、靜曲強(qiáng)度均有一定程度降低，但仍能達(dá)到GB/T 9846—2015《普通膠合板》標(biāo)準(zhǔn)要求。配制復(fù)合阻燃劑的藥劑均采自市場，來源方便，成本較為低廉，而阻燃抑煙效果較好。本研究對(duì)于阻燃膠合板的開發(fā)與應(yīng)用具有一定的參考意義。