3种阻燃剂对重组竹燃烧性能和物理力学性能的影响

靳肖贝，张禄晟，李瑜瑶，温旭雯，覃道春

（国际竹藤中心，北京100102）

重组竹是由竹束、竹篾等为构成单元，经顺纹组 坯、胶合压制而成的板方材，对竹材原料径级要求低，并保持了竹材原有的纤维排列方向，具有原料来源广、材料强度大、竹材利用率高等优点，已被广泛地应用于建筑、装修等领域［1-2］。但是，竹质材料属于可燃材料，在使用过程中存在火灾隐患［3-4］。目前，我国公安部消防部门已经制定并实施了GB 20286-2006和GB 8624-2006等强制性国家标准，对建筑材料及室内装饰装修材料的燃烧性能有着严格的规定。因此，重组竹要想提高自身利用价值，拓展应用范围和获得建材市场认可，必须进行阻燃处理，并达到相关标准要求。

目前，国内外对竹基复合材料的防火阻燃研究才刚刚起步，对重组竹阻燃研究更少。刘姝君［5］等利用聚磷酸铵处理竹基复合材料后，其燃烧性能有所改善，力学强度略有降低；高黎［6］等通过在聚磷酸铵加入6%硼酸与硼砂（1∶1）混合物处理竹篾层积材，获得了较好的耐火性能。相关研究表明，含有磷、氮、硼等元素的阻燃剂一般具有良好的阻燃性能，且对环境危害小，处理成本低［7-8］。因此，本研究选用磷酸二氢铵、聚磷酸铵、硼硼合剂3种阻燃剂浸泡处理竹束，然后制成阻燃重组竹，采用锥形量热仪法对其燃烧性能进行了测试，同时研究了阻燃剂对重组竹相关物理力学性能的影响，旨在掌握磷酸铵盐和硼化物阻燃剂的特点，为开发适用于重组竹的阻燃处理技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 竹束 采自四川省邛崃市的3～4年生慈竹，经疏解、碾压后制成长300mm、宽15～20mm、厚2～4mm横向不断裂、纵向较松散的竹丝束。

1.1.2 阻燃剂 1）硼硼合剂（SBX）：由硼酸与硼砂以质量比为1∶1混合成的水溶液，所用硼酸与硼砂均为无色晶体，市售，化学纯；2）磷酸二氢铵（MAP）：白色晶体，市售，化学纯；3）聚磷酸铵（APP）：白色晶体，聚合度＜20，易溶于水，市售，工业级。

1.1.3 胶粘剂 由北京太尔化工公司生产的16L510型酚醛树脂胶，红棕色液体无杂质，粘度60～110mPa·s（30℃），pH 值10.5，固体含量47.5%，使用时调节固含量为15%。

1.2 板材制备方法

制板工艺过程为：竹丝束→干燥→浸渍阻燃剂→干燥→涂胶→干燥→组坯→热压。

将干燥至含水率10%左右的竹丝束分组称重，放入浓度为20%的3种阻燃剂溶液中，用重物压至液面以下，常温常压浸渍到所需载药量后，摆放于晾晒架，室温下干燥到含水率为10%。前人研究表明，磷氮系阻燃剂用量15%时，阻燃剂与酚醛胶相容性好，且能使板材获得较好的力学和阻燃性能［9］，因此控制竹丝束的阻燃剂浸渍量为15%。为避免浸胶导致阻燃剂流失，采用手工涂胶方式，施胶量12%（绝干竹丝束质量基准），自然晾干到含水率为8%，将竹束手工铺装后热压成板。设定板材目标密度1.0g·cm-3，板材规格300mm×140mm×12.5mm（长×宽×厚），热压压力4.0MPa，时间15min，温度150℃。每一试验条件重复制板3张，并在相同工艺下制作不含阻燃剂的素板3张作对照样。

1.3 板材性能测试方法

1.3.1 燃烧性能 参照ISO 5660-1：2002（E）“Reaction to fire tests-Heat release，smoke production and mass loss rate-Part l：Heat release rate（cone calorimeter method）”，采用英国 FTT 标准型锥形量热仪，在热辐射强度为35kW·m-2，温度725℃，时间为1 400s的条件下，测试重组竹素材和处理材试样的引燃时间（TTI）、热释放速率（HRR）、热释放总量（THR）、烟产生速率（SPR）和发烟总量（TSP）。

1.3.2 物理力学性能 参照GB／T 17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，采用万能力学试验机（美国INSTRON 5800）等仪器测试重组竹素材和处理材试样的密度、静曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）、24h吸水厚度膨胀率（TS24h）。

2 结果与分析

2.1 燃烧性能

不同阻燃剂处理的重组竹试样的燃烧性能测试结果列于表1。

2.1.1 引燃时间（TTI） 通常条件下，引燃时间越长，表明材料越不易点燃，火灾危险性越小。从表1可以看出，经阻燃剂处理后，重组竹的引燃时间明显延长，其中APP处理材的引燃时间最长，为未处理材的3倍，SBX处理材最短，为未处理材的1.3倍。这是由于磷酸铵盐能在高温条件下分解产生玻璃层状残留物覆盖在板材表面，阻止空气与可燃物的接触，同时磷酸铵盐产生的氨气和水蒸气也能阻止燃烧［10］。总体来看，APP和MAP抑制点燃作用效果优于SBX，这与吴玉章［7，19］的研究结果相一致。

2.1.2 热释放速率（HRR）和热释放总量（THR） 热释放速率是表征火灾强度的重要参数，也称为火强度［11］。热释放速率峰值越大，单位时间内燃烧反馈给材料单位面积的热量就越多，材料的热解加快、挥发性可燃物生成量增加，从而加速火焰传播。因此，热释放速率或者热释放峰值越高，材料在火灾中的危险性越大［12］。

表1 不同阻燃剂处理重组竹的燃烧性能Table 1 Cone calorimeter test data of bamboo scrimber treated with different flame retardants

图1 阻燃处理重组竹的释热情况Fig.1 Heat release of bamboo scrimber treated with flame retardants

图1显示了3种阻燃剂处理重组竹的热释放速率和热释放总量的变化过程。由图1可见，阻燃处理后，重组竹的热释放速率都明显降低，2个释热峰明显减弱。其中，3种阻燃剂处理试样的第1个释热峰出现时间，较未处理材试样延后1.6～2倍，峰值降低了40.69%～51.27%。SBX和APP处理试样的第2个释热峰出现时间比未处理材分别延长了260、270s，峰值降低了55.40%、61.14%，MAP处理试样燃烧缓慢，没有出现第2个释热峰，这对板材阻燃具有重大意义。高黎［6］等用聚磷酸铵阻燃处理竹篾层积材获得的第2个释热峰峰值为196kW·m-2，比本研究的略高，可能的原因是本研究采用的竹丝束比竹篾更为疏松、细密，浸泡后的载药量更高，阻燃性能也更好。

由表1和图1可看出，阻燃处理重组竹试样的热释放总量相比未处理材均明显大幅降低，这与热释放速率变化规律一致。3种阻燃处理重组竹的热释放总量比未处理材下降了53.58%～62.38%，MAP和APP阻燃试样的热释放总量略低于SBX阻燃试样。3种阻燃剂均具有较好的阻燃效果，磷酸铵盐分解释放出的氨对火焰起到均相负催化作用，促进竹材表面炭化，这种炭化层可以减缓燃烧过程，降低火焰温度，起到冷却和降温的作用［13-15］；SBX受热释放出结晶水吸收大量的热，使材料的升温受到抑制，起到阻燃作用［16］。从释热速度和释热总量综合来看，抑制重组竹燃烧的效果顺序为：MAP＞APP＞SBX。

2.1.3 烟产生速率（SPR）和发烟总量（TSP） 材料的发烟量是评价材料燃烧性能等级的重要参数。在火灾发生时，大约80%以上的死亡者是由于烟气影响而致死的，同时烟气的释放使环境能见度降低，给人们快速逃离现场，消防部门判断和控制火势带来困难，从而增加火灾伤亡。所以，研究材料的发烟性能有极其重要的意义［17］。重组竹的发烟测试结果如图2所示，未处理材和阻燃处理材的烟产生速率曲线都形成了典型的2个波峰，烟产生速率与热释放速率的变化规律基本同步，说明绝大部分烟气是在有焰燃烧阶段产生的［18］，与未处理材相比，阻燃重组竹在燃烧的不同阶段，烟气产生速率明显减小，烟气危害降低。

由表1和图2可见，SBX处理材虽然最先产生烟气，但烟生成速率小，发烟总量增加非常缓慢，最终只有0.64m2，比未处理材的发烟总量降低了88%，抑烟效果非常理想。这是因为硼化物受热形成玻璃状涂膜覆在聚合物表面，起到隔热隔氧作用，且硼化物没有脱水炭化作用，不会增加炭微粒，故烟密度不会增加［19］。MAP处理板材的烟生成总量为6.37m2，比未处理材的发烟总量增加了22%，抑烟作用不理想，这是由于磷酸铵盐脱水炭化作用导致炭微粒增加，烟密度随之增加。但其烟产生速率的第2个峰值比未处理材降低35%，说明MAP能降低最大发烟速率。APP处理材发烟量和产烟速率与未处理材相比均大幅降低，这是因为APP在受热分解过程中，可以促使板材快速炭化，缩短有焰燃烧时间，从而减少了发烟总量，降低了烟产生速率［20］。

图2 阻燃处理重组竹的抑烟效果Fig.2 Rate and total smoke production of bamboo scrimber treated with flame retardants

2.2 物理力学性能

阻燃处理在赋予产品阻燃效力的同时，还应该考虑对材料物理力学性能的影响。阻燃处理前后重组竹试样的物理力学性能测试结果列于表2。

从表2可知，阻燃处理材主要物理力学性能指标比未处理材有所降低，弹性模量和静曲强度满足国家标准《重组竹》要求的210Eb级别的优等品标准。其中，MAP和SBX处理对重组竹的力学性能影响较小，SBX处理材的MOE下降3.72%，MOR下降7.37%；MAP处理材的MOE下降0.78%，MOR下降6.14%；APP处理对重组竹的力学性能影响较大，MOE下降7.96%，MOR下降16.72%。原因在于阻燃剂的存在影响了胶粘剂的固化，阻燃处理后竹丝束纤维脆性增大，另外阻燃剂受热分解产生的气体在板材内部形成高压，也对重组竹密度和力学性能有一定影响［6］。

表2 不同阻燃剂处理重组竹的物理力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of bamboo scrimber treated with flame retardants

添加阻燃剂后，重组竹的吸水厚度膨胀率明显增大，其中MAP和APP的影响较大，为素板的7倍左右，其原因在于阻燃剂的加入影响了竹丝束之间的胶合，并且这2种阻燃剂具有氨基位亲水基团，增加了材料的吸湿性［21］。

3 结论

3种阻燃剂均能有效降低重组竹的热释放速率和热释放总量，并延长点燃时间，抑制重组竹燃烧的效果：MAP＞APP＞SBX。

APP和SBX在减少发烟量和降低产烟速率方面表现优异，MAP抑烟作用不理想，发烟总量大于未处理材。

阻燃处理会降低重组竹的物理力学性能，其中APP对重组竹的力学性能影响较大。3种阻燃剂均显著增加了重组竹的吸水厚度膨胀率，影响程度：APP＞MAP＞SBX。

总体看来，3种阻燃剂均能够不同程度地改善重组竹的阻燃和抑烟性能，但是如何实现阻燃与抑烟的统一，以及如何改善材料吸水厚度膨胀率还需要做进一步的研究。

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