一種酚醛樹脂型阻燃劑的研究

劉 冰， 陳 玲， 孟黎鵬， 李季平， 崔鐵花， 付曉霞， 雒 鷹

(吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130000)

隨著近年來，有關(guān)火災(zāi)事故報道數(shù)量的不斷增加[1]，防火安全越來越被人們所重視，因此阻燃研究的現(xiàn)實意義日益凸顯，成為亟待解決的問題[2]。

木材是一種天然可再生材料，因其外觀自然、美麗，使其被廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)外裝飾裝修中[3]。木材資源因其具有可再生性和可自然降解性，并且環(huán)境協(xié)調(diào)性好，是人類未來所必需的可再生資源[4]。但是，木質(zhì)材料也有其自身難以克服的缺點，其中之一就是可燃性，這使其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用變得不夠安全。如果能夠解決木質(zhì)材料如何阻燃的問題，將對人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生巨大影響，同時也將進一步拓寬木材自身的用途[5-12]。

樹脂型阻燃劑是一種性能優(yōu)良的阻燃劑，單板經(jīng)其處理后，制得的阻燃單板層積材產(chǎn)品不但具有良好的阻燃性，同時還使產(chǎn)品具有強度高和尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點。樹脂型阻燃劑的開發(fā)不僅能給企業(yè)帶來直接的經(jīng)濟效益，同時也具有較大的社會效益[13]。

1 試驗材料及合成工藝

1.1 試驗材料

①苯酚：純度大于98%，分析純，宏源化工有限公司；②甲醛：含量37%，工業(yè)品，天津市福晨化工試劑廠；③硼砂：含量95%，工業(yè)品，鄭州澳彩化工原料有限公司；④氫氧化鈉：含量30%，分析純，上?；瘜W(xué)試劑總廠；⑤楊木旋切單板：厚度1.5 mm，含水率8%左右，長春柏盛龍佳木業(yè)有限公司；⑥酚醛樹脂膠：粘度800-1 100 mPa·s，比重約1.23 g/cm3，吉林省天源粘合劑有限公司。

1.2 試驗主要設(shè)備

①熱壓機：定制，哈爾濱東大林業(yè)技術(shù)裝備有限公司生產(chǎn)；②電子萬能試驗機：DDL20，長春機械科學(xué)研究院有限公司生產(chǎn)；③氧指數(shù)測定儀：XZT一100A，承德市科承試驗機有限公司生產(chǎn)；④PH值測定儀：BANTE901，上海般特儀器制造有限公司生產(chǎn)；⑤干燥箱：定制，吳江同豐烘箱電爐有限公司生產(chǎn)。

1.3 合成工藝

①將反應(yīng)釜加熱至40 ℃～45 ℃，加入苯酚、水和氫氧化鈉，開啟攪拌器反應(yīng)15 min；②將第一部分甲醛加入到反應(yīng)釜中，升溫至80 ℃～85 ℃(放熱反應(yīng)，緩慢加熱)，保溫反應(yīng)45 min；③將剩余部分加入到反應(yīng)釜中，升溫至80 ℃～85 ℃，保溫反應(yīng)30 min；④將硼砂和適量水加入到反應(yīng)釜中，升溫至80 ℃～85 ℃，保溫反應(yīng)30 min；⑤冷卻降溫至40 ℃以下放料。

2 阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材制備及理化性能測定

2.1 阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材制備

①用合成的酚醛樹脂型阻燃劑浸漬單板12 h左右；②對浸漬后的單板進行干燥，使含水率達到8%左右；③對干燥后的單板進行涂膠、組坯、熱壓。

9層單板，施膠量為300 g/m2(雙面)，熱壓溫度為140 ℃，熱壓時間為14 min，熱壓壓力為1.2 MPa。

2.2 阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材理化性能測定

酚醛樹脂型阻燃劑對阻燃劑硼砂的加量選定不同的試驗水平，進行單因素試驗，對阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材的理化性能進行測定，以確定阻燃劑硼砂的最佳加量。根據(jù)之前大量的探索性試驗確定的阻燃劑硼砂的加量水平見表1。

表1 硼砂加量水平表

理化性能測定包括浸漬剝離性能、水平剪切強度、彈性模量和靜曲強度以及氧指數(shù)。

2.3 檢測方法

樣本及試樣在生產(chǎn)后存放24 h以上的產(chǎn)品中抽取。試件的尺寸和數(shù)量見表2，試件尺寸的測量按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》規(guī)定的試件尺寸測量方法進行。

表2 利用木材加工剩余物制造復(fù)合地板理化性能取樣及試件尺寸

浸漬剝離性能的要求和試驗方法按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20241-2006 單板層積材中6.2.3.3規(guī)定的要求和試驗方法進行

水平剪切強度的要求和試驗方法按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20241-2006《單板層積材》中6.2.3.4規(guī)定的要求和試驗方法進行。

彈性模量和靜曲強度的要求和試驗方法按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20241-2006《單板層積材》中6.2.3.5規(guī)定的要求和試驗方法進行。

氧指數(shù)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指數(shù)法測定燃燒行為》第2部分：室溫實驗規(guī)定的要求和試驗方法進行。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

本研究進行的試驗性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表3。

表3 阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材指標(biāo)檢測結(jié)果

3.2 試驗結(jié)果

從表3可以看出，在試驗范圍內(nèi)，隨著阻燃劑硼砂加量的增加，單板層積材的膠層剝離開裂長度在逐漸增加，浸漬剝離性能逐漸下降，水平剪切強度、彈性模量和靜曲強度逐漸下降，這是由于隨著阻燃劑硼砂加量的增加，對單板層積材熱壓過程中的酚醛樹脂膠層的固化產(chǎn)生了負(fù)面影響，影響了單板間的膠合。同時，在試驗范圍內(nèi)，隨著阻燃劑硼砂加量的增加，單板層積材的氧指數(shù)提高，這是由于在此樹脂型阻燃劑中硼砂起主要的阻燃作用，隨著阻燃劑硼砂加量的增加，單板層積材的阻燃性提高，氧指數(shù)提高。

3.3 確定最佳的硼砂加量

根據(jù)試驗結(jié)果及分析，綜合硼砂加量對單板層積材的浸漬剝離性能、水平剪切強度、彈性模量和靜曲強度以及氧指數(shù)的影響，盡可能提高單板層積材的浸漬剝離性能、水平剪切強度、彈性模量和靜曲強度以及氧指數(shù)，并同時從經(jīng)濟角度考慮，盡可能的降低成本，確定硼砂的最佳加量為70 g。

硼砂加量為70 g時，制得的阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材，其理化性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20241-2006《單板層積材》中對結(jié)構(gòu)用單板層積材的相關(guān)規(guī)定要求，膠層剝離長度為0，水平剪切強度達到65 V～55 H級別，彈性模量和靜曲強度達到90E級別的優(yōu)等品；其氧指數(shù)達到38%以上，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624-2012《建筑材料燃燒性能分級方法》對B1級難燃材料的要求。

4 阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材的燃燒性能分級

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中的規(guī)定對于平板狀建筑材料及制品的燃燒性能等級的分級判據(jù)，要達到B級水平需要對材料進行單體燃燒性能試驗和可燃性試驗，對材料的燃燒增長速率指數(shù)、火焰蔓延程度、600 s的總放熱量以及點火時間30 s的情況下60 s內(nèi)焰尖高度和燃燒滴落物情況進行判定。因此，為了判定制備的阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材產(chǎn)品是否達到B級要求，需對以上各指標(biāo)進行檢測。按照確定的酚醛樹脂型阻燃劑配方：甲醛與苯酚的重量比1.68(甲醛添加量168 g、苯酚添加量100 g)，氫氧化鈉(1)12 g，氫氧化鈉(2)57 g，水(1)34 g，水(2)200 g，阻燃劑硼砂添加量70 g，制成用于燃燒性能測試的阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材。

樣本及試樣在生產(chǎn)后存放24 h以上的產(chǎn)品中抽取。試件的尺寸和數(shù)量見表4，試件尺寸的測量按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657-2013人造板及飾面人造板理化性能試驗方法規(guī)定的試件尺寸測量方法進行。

表4 單板層積材理阻燃性能取樣及試件尺寸

單體燃燒性能試驗按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20284-2006 建筑材料或制品的單體燃燒試驗中規(guī)定的要求和試驗方法進行。

可燃性試驗按國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 8626-2007 建筑材料可燃性試驗方法中規(guī)定的要求和試驗方法進行。

達到國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624-2012 《建筑材料及制品燃燒性能分級》中的B-s1，d0，t2級的性能指標(biāo)要求及檢測結(jié)果見表5。

表5 阻燃性能指標(biāo)要求及阻燃單板層積材檢測結(jié)果

從表5可以看出，制得的阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材達到國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624-2012 建筑材料及制品燃燒性能分級中的B級。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)試驗結(jié)果及分析，綜合硼砂加量對單板層積材的浸漬剝離性能、水平剪切強度、彈性模量和靜曲強度以及氧指數(shù)的影響，盡可能提高單板層積材的浸漬剝離性能、水平剪切強度、彈性模量和靜曲強度以及氧指數(shù)，并同時從經(jīng)濟角度考慮，盡可能的降低成本，確定硼砂的最佳加量為70 g。硼砂加量為70 g時，制得的阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材，其理化性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20241-2006 單板層積材中對結(jié)構(gòu)用單板層積材的相關(guān)規(guī)定要求，膠層剝離長度為0，水平剪切強度達到65 V-55 H級別，彈性模量和靜曲強度達到90E級別的優(yōu)等品；其氧指數(shù)達到38%以上，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624-2012《建筑材料燃燒性能分級方法》對B1級難燃材料的要求。

(2)制成的酚醛樹脂型阻燃劑的最佳配方為：甲醛與苯酚的重量比1.68(甲醛添加量168 g、苯酚添加量100 g)，氫氧化鈉(1)12 g，氫氧化鈉(2)57 g，水(1)34 g，水(2)200 g，阻燃劑硼砂添加量70 g。

(3)采用酚醛樹脂型阻燃劑對單板進行處理制得的阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材，其理化性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20241-2006《單板層積材》中對結(jié)構(gòu)用單板層積材的相關(guān)規(guī)定要求，膠層剝離長度為0，水平剪切強度達到65 V-55 H級別，彈性模量和靜曲強度達到90E級別的優(yōu)等品；其氧指數(shù)達到38%以上。

(4)經(jīng)過燃燒性能檢測，制得的阻燃結(jié)構(gòu)用單板層積材達到國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中的B級。