FRW飾面阻燃中纖板的CONE和力學(xué)性能分析

劉迎濤，葛 亞，陳 沖

(1.東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.江蘇吉福新材料股份有限公司，江蘇 泗陽 223700)

人造板表面裝飾加工，是人造板產(chǎn)品直接增加附加值的重要手段，也是保護森林資源和發(fā)展木材綜合利用的具體措施。浸漬膠膜紙飾面人造板是以刨花板、纖維板等人造板為基材，以浸漬三聚氰胺等樹脂的膠膜紙為飾面材料制成的人造板材，被廣泛應(yīng)用于家具及裝飾裝修等領(lǐng)域[1]。但人造板的易燃性給人的生命和財產(chǎn)帶來嚴(yán)重的危害，據(jù)分析21%的火災(zāi)由木材等纖維材料引起，而住宅火災(zāi)70%是因木質(zhì)材料缺乏難燃性而引起的[2-3]。采用阻燃制品防止人身傷害和惡性火災(zāi)事故的發(fā)生是世界各國經(jīng)過多年的實踐經(jīng)驗驗證，并被證明為行之有效的防火保護措施之一，美國、日本、加拿大等國家很早就制定了相關(guān)的阻燃法規(guī)[4]。在我國，公安部于1986年頒布的《高層建筑消防管理規(guī)則》第14條明確規(guī)定，高層建筑的高級賓館、飯店和醫(yī)院病房的室內(nèi)裝修，應(yīng)當(dāng)采用非燃或難燃材料。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 20286-2006《公共場所阻燃制品及組件燃燒性能要求和標(biāo)識》規(guī)定公共場所使用的建筑材料和制品都必須進行阻燃處理，且阻燃處理的建筑材料和制品的燃燒性能必須滿足國標(biāo)GB 20286-2006中相應(yīng)級別的指標(biāo)要求[5]。阻燃飾面中纖板的研究與開發(fā)正是順應(yīng)了市場需求，具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對阻燃中密度纖維板的阻燃性和物理力學(xué)、阻燃浸漬紙貼面人造板制備技術(shù)等進行了相關(guān)研究。Rejeesh等[6-7]以椰纖維為原料壓制阻燃纖維板，研究了硼砂和硼酸組合的阻燃溶液對纖維板阻燃性能的影響。蘭平等[8]采用共沉淀法制備無機氫氧化鎂(MH)和氫氧化鋁(ATH)復(fù)合阻燃劑，并將MH和ATH分別用于壓制阻燃中密度纖維板，探討了無機金屬氫氧化物阻燃劑對中密度纖維板燃燒過程中的熱釋放性能、質(zhì)量變化、煙釋放性能和煙氣毒性的影響。屈偉等[9]基于阻燃浸漬紙的制備，開展了阻燃浸漬紙貼面人造板制備技術(shù)研究。高金貴等[10]以阻燃高密度纖維板作為地板基材，開發(fā)了三聚氰胺浸漬紙層壓阻燃地板。

本文選用木材阻燃劑FRW研制FRW飾面阻燃中纖板，分析了素板和FRW飾面阻燃中纖板的阻燃與力學(xué)性能，旨在為生產(chǎn)具有難燃級的FRW飾面阻燃中纖板提供理論依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

(1)阻燃劑。選用自主研制開發(fā)的高效木材阻燃劑FRW，該阻燃劑具有無毒、無污染、生產(chǎn)及處理工藝簡單、對木材物理性質(zhì)及加工性能影響小等特點[11-12]。

(2)普通中纖板和FRW阻燃中纖板。密度0.75 g/cm3；幅面尺寸340 mm(長)×320 mm(寬)×12 mm(厚)；壓制阻燃劑施加量分別為0%、9%、11%、13%和15%的普通中纖板和FRW阻燃中纖板。

(3)FRW阻燃三聚氰胺貼面裝飾紙。實驗室自制；原紙重80 g/m2，F(xiàn)RW阻燃三聚氰胺膠浸漬量為原紙重的140%～150%；揮發(fā)物含量為6.1%；預(yù)固化度為53.7%。

1.2 普通貼面中纖板和FRW飾面阻燃中纖板的制備

以普通MDF為基材，單面復(fù)合未經(jīng)阻燃處理的三聚氰胺貼面裝飾紙制備普通貼面中纖板(素板)，標(biāo)號0%DMDF；以阻燃劑施加量分別為9%、11%、13%和15%的FRW阻燃中纖板為基材，單面復(fù)合FRW阻燃三聚氰胺貼面裝飾紙制備FRW飾面阻燃中纖板，標(biāo)號分別為9%FRWDMDF、11%FRWDMDF、13%FRWDMDF和15%FRWDMDF。

1.3 FRW飾面阻燃中纖板性能的測試方法

將素板和FRW飾面阻燃中纖板鋸解成尺寸為100 mm(長)×100 mm(寬)×12 mm(厚)的試樣，利用日本TOYOSEIKI公司生產(chǎn)的CONE CALORIMET Ⅲ C3 型錐形量熱儀測試阻燃性能，熱輻射強度50 kW/m2，選3個試樣進行CONE試驗，取平均值。

素板和FRW飾面阻燃中纖板的力學(xué)性能按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15102-2017《浸漬膠膜紙飾面纖維板和刨花板》進行測試，取平均值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 FRW飾面阻燃中纖板的CONE分析

由于阻燃劑施加量分別為9%、11%、13%和15%的FRW飾面阻燃中纖板的CONE曲線之間差距較小，不易分辨，本文只繪制了素板(0%DMDF)、阻燃劑施加量分別為11%和15%的FRW飾面阻燃中纖板(11%FRWDMDF和15%FRWDMDF)的CONE曲線。

2.1.1 熱釋放速率HRR

素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的主要阻燃性能參數(shù)見表1，HRR-time曲線如圖1所示。

圖1 素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的HRR

表1 素板和FRW飾面阻燃中纖板主要的阻燃性能參數(shù)

由表1可知，素板的總熱釋放量為68.36 MJ/m2，11% FRWDMDF為33.10 MJ/m2，15% FRWDMDF為27.33 MJ /m2，總熱釋放量比素板分別降低了51.58%和60.02%，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的總熱釋放量比素板下降明顯。木材阻燃劑FRW中的成分脒基脲磷酸鹽(Guanylurea phosphate，GUP)受熱分解時產(chǎn)生的CO2、NH3和H2O蒸汽等不燃性氣體，稀釋了空氣中的氧氣，有利于減緩氣相氧化反應(yīng)(燃燒)的速度，降低了熱輻射強度。同時木材阻燃劑FRW中的硼酸受熱后呈熔融的玻璃狀物質(zhì)，覆蓋在板材的表面，起到隔熱、隔氧的作用，降低了板材的燃燒速度和放熱量。

當(dāng)阻燃劑施加量增加到一定程度后，對于總熱釋放量的降低效果不明顯。因此，從降低阻燃成本的角度考慮，應(yīng)選取11%阻燃劑施加量處理FRW飾面阻燃中纖板，以達到既阻燃又節(jié)約成本的目的。

由圖1可知，素板和FRW飾面阻燃中纖板的HRR曲線均具有兩個放熱峰，第二放熱峰值比第一放熱峰值小，但第二放熱峰的放熱量卻比第一放熱峰大。研究結(jié)果表明，第一放熱峰對應(yīng)于試樣被點燃時的短暫有焰燃燒過程，第二放熱峰對應(yīng)于第二次出現(xiàn)較高火焰時的燃燒過程，因而抑制第二放熱峰的放熱量對FRW飾面阻燃中纖板的阻燃效果影響較大。

與素板相比，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的平均熱釋放速率和第一、第二放熱峰值均顯著降低。素板的平均熱釋放速率為185.49 kW/m2，11% FRWDMDF為94.89 kW/m2，15% FRWDMDF為74.72 kW/m2，平均熱釋放速率比素板分別降低了48.84%和59.72%。這說明FRW飾面阻燃中纖板經(jīng)阻燃劑FRW處理后，熱降解生成可燃性揮發(fā)物的速度大大降低，同時降低了外界熱量向板材輻射和傳遞的能力及速度，減緩了板材表面的熱裂解速度，延緩了火焰的快速傳播，相應(yīng)地使板材的阻燃效果提高。

隨著阻燃劑施加量的增加，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的平均熱釋放速率和第一、第二放熱峰值均呈現(xiàn)下降趨勢，表明阻燃劑用量越多，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的熱釋放速率越低。

2.1.2 總熱釋放量THR

素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的THR-time曲線如圖2所示。

圖2 素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的THR

由圖2可知，從試樣被點燃到第二放熱峰峰值出現(xiàn)之前，總熱釋放量增加緩慢；當(dāng)?shù)诙艧岱暹^后，總熱釋放量迅速增加，說明FRW飾面阻燃中纖板釋放的熱量主要由第二放熱峰提供，因此抑制此階段燃燒釋放出的熱量是提高FRW飾面阻燃中纖板阻燃效果的關(guān)鍵。

2.1.3 點燃時間TTI

點燃時間是評價材料阻燃性能的重要指標(biāo)之一。點燃時間越長，說明材料越不易被點燃，材料的阻燃性能越好。由表1可知，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的點燃時間TTI比素板有明顯延長，11% FRWDMDF的點燃時間為36.3 s，15% FRWDMDF的點燃時間為37.5 s，比素板的點燃時間分別延長了17.4 s和18.6 s。這說明木材阻燃劑FRW作用于FRW飾面阻燃中纖板后，遇熱時熱解速率變緩，釋放可燃性有機揮發(fā)氣體的速度變慢，使其達到持續(xù)燃燒所需氣體濃度的時間延長，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的阻燃性能明顯提高。

2.1.4 殘余物質(zhì)量Mass

素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的Mass-time曲線如圖3所示。

圖3 素板和不同阻燃劑施加量FRW飾面阻燃中纖板的Mass

由圖3和表1可知，11% FRWDMDF的成炭率為42.92%，15% FRWDMDF的成炭率為44.08%，比素板的成炭率20.86%分別提高了105.75%和111.31%，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的成炭率比素板提高明顯。成炭率的提高和表面炭化層的迅速生成可降低外界溫度向FRW飾面阻燃中纖板內(nèi)部傳遞的速度，降低板材的熱分解速度，減少可燃性揮發(fā)物的產(chǎn)生，從而提高了FRW飾面阻燃中纖板的阻燃效果。隨著阻燃劑施加量的增加，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的成炭率有所提高，但當(dāng)阻燃劑施加量達到11%，再增加阻燃劑用量對提高成炭率作用不大。

在有焰燃燒階段，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的質(zhì)量損失速度和總量遠遠高于紅熱燃燒階段。因此，應(yīng)盡可能減少板材在有焰燃燒階段的質(zhì)量損失量，增加在紅熱燃燒階段的成炭率是提高FRW飾面阻燃中纖板阻燃性能的關(guān)鍵。

2.2 FRW飾面阻燃中纖板的力學(xué)性能分析

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15102-2017《浸漬膠膜紙飾面纖維板和刨花板》測試的素板和FRW飾面阻燃中纖板的力學(xué)性能見表2。

表2 素板和FRW飾面阻燃中纖板的力學(xué)性能

從表2可以看出，在不添加FRW阻燃劑時，素板的靜曲強度為45.337 MPa，彈性模量為3 701 MPa，內(nèi)結(jié)合強度為0.825 MPa，表面膠合強度為0.965 MPa，吸水厚度膨脹率為9.411%。FRW阻燃劑的加入，使FRW飾面阻燃中纖板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度和表面膠合強度有所下降，而吸水厚度膨脹率變化不大。導(dǎo)致FRW飾面阻燃中纖板各強度值下降的原因，很可能是由于FRW阻燃劑中含有酸性物質(zhì)——硼酸，降低了膠黏劑的pH值而引起部分UF膠提前固化，從而降低了板的膠合強度。但與國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15102-2017《浸漬膠膜紙飾面纖維板和刨花板》相比，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的各項力學(xué)性能指標(biāo)仍高于國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

3 結(jié)論

(1)錐形量熱儀(CONE)的研究結(jié)果表明，與素板相比，經(jīng)FRW阻燃劑處理后的FRW飾面阻燃中纖板具有優(yōu)異的阻燃效果，不僅明顯地降低了板材的熱釋放速率和總熱釋放量，延長了點燃時間，而且顯著促進了板材炭化。

(2)隨著阻燃劑施加量的增加，F(xiàn)RW飾面阻燃中纖板的阻燃效果呈上升趨勢。但當(dāng)阻燃劑施加量提高到一定程度后，此上升趨勢則不明顯。從節(jié)約成本的角度考慮，選取11%阻燃劑施加量處理板材為宜。

(3)木材阻燃劑FRW可促進板材脫水炭化，受熱分解時產(chǎn)生不燃性氣體可稀釋空氣中的氧氣，呈熔融的玻璃狀物質(zhì)覆蓋在板材的表面，起到隔熱、隔氧的作用，此優(yōu)異的阻燃性能為生產(chǎn)具有難燃級的FRW飾面阻燃中纖板提供了有力保障。

(4)FRW飾面阻燃中纖板的各項力學(xué)性能指標(biāo)達到并超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15102-2017《浸漬膠膜紙飾面纖維板和刨花板》的要求，從而使FRW飾面阻燃中纖板在具有優(yōu)異阻燃性能的同時，仍保持良好的力學(xué)特性。