木質(zhì)廢料/無機(jī)膠黏劑刨花板的制備及其阻燃性能研究*

牛耕蕪 張 威 王 欣

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，呼和浩特 010018)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國每年使用建筑模板5.85億m2，其中木膠合板建筑模板循環(huán)使用次數(shù)較少，存在大量資源浪費(fèi)現(xiàn)象[1]。另外，淘汰的廢舊家具部分被焚燒、填埋等[2-3]，無法實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。本文以廢舊建筑模板及廢舊家具為原料制備刨花板，可使上述廢棄資源得以充分利用，但因刨花板阻燃性較差限制了其應(yīng)用范圍[4-7]。鎂系無機(jī)膠凝材料是以氧化鎂、硫酸鎂、氯化鎂等原料制備組成，可應(yīng)用建筑材料等領(lǐng)域，具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、保溫、耐熱、隔熱等特點(diǎn)[8-12]。肖俊華等[13]利用鎂系無機(jī)膠黏劑制備秸稈刨花板，研究結(jié)果表明對秸稈板的抗吸濕性能有改善。我國是鎂資源大國，儲備量居世界第一，資源品質(zhì)也居世界前列[13-16]。鎂資源經(jīng)處理后可用于冶金行業(yè)與化學(xué)工業(yè)，也可用作建筑材料、耐火材料等[17-19]。因此，本研究以廢舊建筑模板及廢舊家具為原料，鎂系無機(jī)材料為膠黏劑，研究制備具有阻燃功能的環(huán)保型刨花板，既可以提高刨花板的功能性，又可以充分利用廢棄物。

1 材料與方法

1.1 材料

刨花：廢舊建筑模板和家具碎料，經(jīng)過篩分的刨花分成表層刨花（篩網(wǎng)目數(shù)75～14目）和芯層刨花（篩網(wǎng)目數(shù)14～4 目）備用。

水性膠：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%的聚乙烯醇溶液（山西三維集團(tuán)），使用前先加入增強(qiáng)劑混合均勻。

無機(jī)膠：按氧化鎂:硫酸鎂為2:1的比例，分別秤取氧化鎂（河北高林鎂鹽化工有限公司，重質(zhì)氧化鎂含量85%）和硫酸鎂（河南德文化工產(chǎn)品有限公司，七水硫酸鎂含量99%），混合均勻備用。

固化劑：A—氯化鎂（A1：1.5%/2.0%；A2：4.5%/5.0%）；B—硫酸鋁（B1：1.5%/2.0%；B2：4.5%/5.0%）；C—?dú)溲趸}（C1：1.5%/2.0%；C2：4.5%/5.0%）；D—磷酸三鈉（D1：1.5%/2.0%；D2：4.5%/5.0%）；E—碳酸丙烯酯（E1：1.0%/1.5%；E2：3.0%/3.5%）；F—順丁烯二酸（F1：1.0%/1.5%；F2：3.0%/3.5%）。上述括號中表示固化劑用量，即表層用量/芯層用量。

1.2 設(shè)備

晃動篩（自制），試驗(yàn)壓機(jī)（BY302X212，蘇州新協(xié)力試驗(yàn)機(jī)公司），鼓式削片機(jī)（BX213，鎮(zhèn)江中福馬機(jī)械有限公司），精密推臺鋸[WA6NT，歐登多(秦皇島)機(jī)械制造有限公司]，寬帶砂光機(jī)（MM526R-P，青島盛福機(jī)械制造有限公司），掃描電子顯微鏡（Hitachi S4800，日立公司），錐形量熱儀（FTT0007，英國FTT公司），氧指數(shù)測定儀（JF-3，南京潤富儀器設(shè)備有限公司），同步熱分析儀（STA · 409PC，耐馳科學(xué)儀器商貿(mào)上海有限公司），萬能力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)（WDW-20A，濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司）。

1.3 刨花板制備

用推臺鋸將廢舊建筑模板鋸切，經(jīng)削片機(jī)削片，再用打碎機(jī)制成刨花，最后通過晃動篩分選出表層刨花和芯層刨花（刨花質(zhì)量比表層:芯層= 32:68），分別將表層刨花干燥到含水率1.4%～2.5%，芯層刨花干燥到含水率1.3%～1.7%，按照試驗(yàn)預(yù)先設(shè)定的鋪裝板坯含水率，表層控制在 18.0%～18.5%，芯層控制在16.5%～17.0%，該范圍含水率有助于無機(jī)膠黏劑的凝結(jié)膠合。表層刨花用人工拌膠，芯層刨花用自制拌膠機(jī)攪拌600 s。拌膠時(shí)，先加水性膠（表層25%，芯層21%），再加無機(jī)膠[質(zhì)量比為無機(jī)膠:表(芯)層刨花= 40:60]。拌膠后的表、芯層刨花手工進(jìn)行鋪裝[12]。

本試驗(yàn)壓制的刨花板幅面為500 mm×500 mm×16 mm，壓制預(yù)設(shè)密度分別為0.95、0.85、0.75 g/cm3的3種刨花板。主要熱壓工藝參數(shù)為壓力2.5 MPa、溫度210 ℃，保壓時(shí)間274 s。

由表5說明，土樣1土壤中添加2%骨炭(A)化學(xué)修復(fù)劑時(shí)土壤中的重金屬鋅、鉛、鉻、銅、砷、鎘含量均有所下降，其中在種有馬鈴薯的土壤區(qū)域主要污染物鋅含量下降幅度最大，下降值為90.1mg/L。在種有油菜和馬鈴薯的土壤區(qū)域主要污染物砷含量下降幅度最大，最大值為1.0mg/L。

1.4 測試方法

物理力學(xué)性能測定：按照GB/T 17657— 2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》中要求，將樣品鋸成長370 mm、寬50 mm用于測定靜曲強(qiáng)度（MOR）和彈性模量（MOE）（試件數(shù)分別為6個），鋸成50 mm×50 mm用于測定內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）（試件數(shù)5個）和24 h吸水厚度膨脹率（24 hTS）（試件數(shù)5個）。

微觀結(jié)構(gòu)分析：利用掃描電鏡（SEM）觀察板材微觀結(jié)構(gòu)。測試電壓10.0 kV，對施膠前后表層刨花、板材撕裂面、板材斷面，經(jīng)噴金處理進(jìn)行掃描電鏡觀察。

氧指數(shù)測定：試件厚1 cm，長10 ～ 15 cm，每張板取5個。按照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》評價(jià)材料阻燃性能級別。

錐形量熱測定：試件尺寸100 mm×100 mm，輻射功率為50 kW/m2，間隔5 s。按照GB 8624—2012對刨花板阻燃等級評判。

熱重測定：檢測氣氛為N2，設(shè)定試件重量5 ～10 mg，加熱范圍20 ～ 800 ℃，升溫速率10 ℃ /min。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理力學(xué)性能分析

表1為各組刨花板物理力學(xué)性能的測試結(jié)果。由表可見，密度由0.75 g/cm3增大到0.95 g/cm3時(shí)，MOR由10.19MPa增 加 到18.91MPa， MOE由4 645.95 MPa增加到8 353.5 MPa。板材密度在0.95 g/cm3時(shí)MOR和MOE分別達(dá)到最優(yōu)值。說明隨著密度增加，在熱壓過程中使無機(jī)膠黏劑與刨花充分膠聯(lián)，且更緊密，同時(shí)加快水化產(chǎn)物形成，提高膠合強(qiáng)度，使板材承受更大的外界破壞能力[12]。在板材密度在0.95 g/cm3時(shí)，IB性能達(dá)到最優(yōu)（0.41MPa），原因是板材0.95 g/cm3比0.75 g/cm3刨花與膠黏劑用量增加，無機(jī)膠黏劑填充了板材孔隙，使板材的IB性能明顯提高；因本試驗(yàn)沒有添加防水劑，不同密度的24 hTS相差不大，均未達(dá)到國標(biāo)要求，說明密度對板材吸水厚度膨脹率的影響不大。

綜上，當(dāng)板材密度為0.95 g/cm3時(shí)，物理力學(xué)性能除24 hTS外均符合國標(biāo)P3型刨花板的要求。

表1 主要物理力學(xué)性能[20]Tab.1 Main physical and mechanical properties

2.2 形貌分析

圖1為無機(jī)膠刨花板的刨花與板材斷面SEM照片。從圖1（a）可以看出，在未施加無機(jī)膠黏劑時(shí)，木質(zhì)刨花自身結(jié)構(gòu)空隙較大，存在大量氣孔。圖1（b），無機(jī)膠黏劑借助水性膠，均勻分布于刨花表面，填充刨花空隙，與刨花界面膠結(jié)良好。圖1（c）為板坯撕裂面，撕裂處刨花孔隙減少，致密度良好。板材撕裂面是內(nèi)結(jié)合試驗(yàn)后的撕裂表面，刨花被撕裂是由于無機(jī)膠黏劑水化產(chǎn)物所形成的晶體強(qiáng)度大于刨花自身的強(qiáng)度。撕裂處的刨花孔隙減少，撕裂處出現(xiàn)大量晶體，無機(jī)膠黏劑在熱壓條件下固化形成的晶體，使刨花與刨花之間結(jié)合更加緊密，板材物理力學(xué)性能提高。圖1（d）為板材斷面，可見刨花界面孔隙減少，由于無機(jī)膠黏劑水化產(chǎn)物的結(jié)晶阻隔了水分與空氣的進(jìn)入，無機(jī)膠黏劑將刨花完全包覆。

圖1 刨花和刨花板斷面SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photos of cross-sections of particle and particleboard

2.3 氧指數(shù)分析

2.3.1 密度影響

圖2為不同密度刨花板的氧指數(shù)曲線，可以看出，氧指數(shù)隨密度增加而增加。當(dāng)密度從0.75 g/cm3增至0.95 g/cm3時(shí)，板材氧指數(shù)由26%提高到30.5%，提高了17.3%。說明隨著密度增大，刨花與膠黏劑的用量加大，板坯密實(shí)度提高，被無機(jī)膠黏劑包裹的刨花之間結(jié)合更為緊密，具有阻燃作用。測試結(jié)果表明：當(dāng)板材密度為0.95 g/cm3時(shí)，板材達(dá)到GB 8624—2012規(guī)定的B1級難燃建筑材料（OI≥30%）。

圖2 不同密度刨花板的氧指數(shù)Fig.2 Oxygen indexes of particleboard of different densities

2.3.2 固化劑影響

圖3 不同固化劑的刨花板氧指數(shù)Fig.3 Oxygen indexes of particleboard with different curing agents

圖3為分別使用不同種類及用量的固化劑，壓制密度為0.95 g/cm3的板材測得氧指數(shù)的結(jié)果。由圖可知，加入A固化劑兩種添加量的板材氧指數(shù)都較高，其煙氣釋放時(shí)間短，且煙量少；固化劑B表層/芯層固化劑用量為1.5%/2.0%時(shí)，氧指數(shù)為31%，當(dāng)用量增大為4.5%/5.0%時(shí)，氧指數(shù)有所降低；添加C、D、E、F固化劑板材的氧指數(shù)均低于圖2中同密度板材，阻燃效果降低。因此，加入A1、A2、B1固化劑，既起到固化效果，又使阻燃效果高出W（無固化劑板材），且均達(dá)到GB 8624—2012規(guī)定的難燃建筑材料B1等級。綜合考慮刨花板阻燃效果與燃燒性能，結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果，表層刨花A固化劑添加量為4.5%時(shí)，板材的吸水厚度膨脹率較小。因此，選擇固化劑A表層/芯層固化劑用量為4.5%/5.0%。

2.4 燃燒性能分析

錐形量熱儀的測試是模擬真實(shí)火災(zāi)燃燒情況，通過熱釋放總量（THR）和總煙釋放量（TSP）評價(jià)板材阻燃性能和燃燒性能。

表2 刨花板燃燒性能試驗(yàn)結(jié)果[20]Tab.2 Test results of particleboard combustion performance

2.4.1 熱釋放量速率（HRR）和熱釋放總量（THR）

圖4 三種刨花板的熱釋放量速率和熱釋放總量曲線Fig.4 HRR and THR curves of the three kinds of particleboard

圖4為刨花板熱釋放量速率和熱釋放總量曲線。圖4（a）可見，刨花板呈現(xiàn)出兩個最高峰，W和F第一個熱釋放量速率波峰在65 s處，是板材表層點(diǎn)燃時(shí)短暫的有焰燃燒。A的第一個熱釋放量速率波峰較W時(shí)間依次后延；W第二個熱釋放量速率波峰在940 s處，是較高溫的有焰燃燒，為板材表面炭層破裂后芯層的燃燒，A和F的板材第二個熱釋放量速率波峰較W的時(shí)間延遲了60 s，且在300～ 940 s期間，A的熱釋放量速率低于W和F，說明固化劑A使可燃性物質(zhì)燃燒速率降低，對降低熱量有明顯效果。由圖4（b）和表2可知，與無固化劑板材W相比，F(xiàn)的熱釋放總量略增，A熱釋放總量降幅很大，熱釋放總量減少37.6%，且在燃燒過程中熱釋放總量最小，說明固化劑A的加入不僅可以起到促凝作用，還有利于抑制刨花板有焰燃燒，降低其熱釋放量速率和熱釋放總量。

2.4.2 總煙釋放量（TSP）

圖5 三種刨花板的總煙釋放量Fig.5 TSP of the three kinds of particleboard

圖5可見，W、F在0～ 900 s之間總煙釋放量增長緩慢，到900 s時(shí)總煙釋放量迅速增大，1 100 s后趨于平緩，主要因?yàn)榘宀闹械臒o機(jī)膠黏劑受熱脫水后產(chǎn)生水分子，降低了氣體溫度，同時(shí)減少刨花板的燃燒熱量值，提高了阻燃性和煙氣的生成。隨著氧化物覆蓋板材或刨花表面，抑制其可燃性物質(zhì)燃燒和氣體出現(xiàn)，提高了阻燃性和煙氣生成作用。煙氣檢測結(jié)果固化劑F優(yōu)于A。

綜合考慮刨花板熱釋放量速率、熱釋放總量與總煙釋放量，選擇固化劑A對刨花板阻燃性能較好。

2.5 熱重分析

圖6為無機(jī)膠黏劑刨花板TG和DTG曲線。由圖6可知，第一階段失重溫度在200～350 ℃，第二階段失重溫度為350～550 ℃，第三階段失重溫度為550～800 ℃。表3是根據(jù)圖6計(jì)算得出的3種刨花板分別在3個失重階段的成炭率。由表3可知，加入固化劑A，燃燒過程中板材的成炭率最高，可有效提高刨花板阻燃性能，結(jié)果與前面一致。

圖6 三種刨花板TG和DTG曲線Fig.6 TG and DTG curves of the three kinds of particleboard

表3 刨花板TG和DTG曲線的計(jì)算結(jié)果[12]Tab.3 Calculated results from TG and DTG curves of particleboard

3 結(jié)論

以廢舊建筑模板及廢舊家具為原料，鎂系無機(jī)材料為膠黏劑，研究制備具有阻燃功能的環(huán)保型刨花板，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)板材密度為0.95 g/cm3時(shí)，其物理力學(xué)性能全部達(dá)到GB/T 17657— 2013中的P3型刨花板要求。

2）無機(jī)膠黏劑完全包覆刨花，且填充刨花表面孔隙，使刨花板具有較好的阻燃性能，同時(shí)提高其物理力學(xué)性能。

3）在阻燃性能方面，選擇固化劑A，表層/芯層固化劑用量為4.5%/5.0%，壓制密度為0.95 g/cm3刨花板的氧指數(shù)為31%，有效提高了刨花板的阻燃性能。