3种阻燃剂浸渍处理竹片的性能研究

郑铭焕，汪 铠，吴 强,2，张文标,2，张晓春,2，李朝斌，周兆成，张水华

(1.浙江农林大学 工程学院，浙江 临安 311300； 2.浙江省木材科学与技术重点实验室，浙江 临安 311300；3.双枪竹木科技股份有限公司，浙江 杭州 311100)

3种阻燃剂浸渍处理竹片的性能研究

郑铭焕1，汪 铠1，吴 强1,2，张文标1,2，张晓春1,2，李朝斌3，周兆成3，张水华3

(1.浙江农林大学 工程学院，浙江 临安 311300； 2.浙江省木材科学与技术重点实验室，浙江 临安 311300；3.双枪竹木科技股份有限公司，浙江 杭州 311100)

选用聚磷酸氢铵(APP)、磷酸二氢氨盐(MAP)及硼酸与硼砂合剂(SBX)3种阻燃剂，采用常压浸渍法处理竹片，通过氧指数、锥形量热法考察了3种阻燃剂对竹片阻燃性能的影响，并研究了阻燃竹片的涂饰性能及阻燃剂的流失行为。结果表明，3种阻燃剂均可提高竹片的极限氧指数，MAP处理竹片的极限氧指数最高；正交试验得出优选浸渍工艺为：20%阻燃剂浓度、40 ℃浸渍温度和0.5 h浸渍时间。锥形量热测试结果表明，3种阻燃剂均能有效降低热释放速率、热释放总量，并抑制发烟，SBX处理竹材的综合性能最佳。涂饰性测试表明，SBX阻燃剂不影响竹片表面的漆膜附着力，而APP和MAP阻燃处理使竹片表面漆膜附着力显著下降。流失性测试表明3种阻燃剂抗流失性较差，SBX处理竹片相对较好，14 d流失率为53%。

阻燃剂；竹片；浸渍；极限氧指数；抗流失性

竹子具有生长快、产量高、生态功能强等特点，受到各方面的青睐[1]。而我国是世界上竹类资源最丰富的国家之一，竹子种类多，分布范围广，竹林面积和年采伐量均居世界首位[2]。竹质材料作为一种“绿色材料”，其制品具有良好的视觉、触觉特性和较高的比强度，已广泛应用于建筑和家具等领域。然而，竹材属于可燃材料，在使用过程中存在着火隐患，研究发现在150 ℃竹材就开始发生热分解，当温度达到 500 ℃可分解完全[3]。因此，为了扩展竹材的应用范围，必须对竹材进行阻燃处理，提高其阻燃性能。通过阻燃处理，可减少竹材的热降解程度，降低火焰蔓延速度，最终将火灾伤害降到最小[4]。

近年来，国内外学者在竹材阻燃方面已开展了一些研究[5-11]。刘姝君等人[8]总结了国内外竹质阻燃材料处理方法、常用阻燃剂和研究进展；金春德等人[9]考察了FRW 阻燃剂浸渍刨切薄竹的阻燃性能，发现FRW 阻燃剂可以有效抑制热释放的速率和总量，减少烟释放量；靳肖贝等人[10]采用锥形量热法研究了不同阻燃剂对重组竹燃烧性能的影响，发现不同阻燃剂可提高重组竹的阻燃性能，但阻燃与抑烟效应不统一。现有研究表明，硼酸/硼砂复配化合物(SBX)(硼酸∶硼砂=1∶1)、磷酸二氢铵(MAP)、聚磷酸铵(APP)等为木质材料较好的阻燃剂[11]，靳肖贝等人[12]研究了3种阻燃剂对重组竹燃烧性能的影响，但在常压浸渍竹材阻燃方面的研究仍不够系统。因此，为更系统地研究阻燃剂对竹材阻燃行为和其他相关性能的影响，本文选用3种阻燃剂——APP、MAP及SBX，采用常压浸渍法处理竹片，通过氧指数、锥形量热法考察3种阻燃剂对竹材阻燃性能的影响；并研究了阻燃剂对竹材涂饰性能的影响及阻燃剂的流失行为。

1 实验部分

1.1 实验材料

竹片：由双枪竹木科技股份有限公司提供，分为两种规格，一种规格为100 mm×100 mm×10 mm的竹片Ⅰ，用于锥形量热仪和漆膜附着力测试；另一种规格为100 mm×10 mm×4 mm的竹片Ⅱ，用于极限氧指数和阻燃剂流失性测试；两种规格的竹材在使用前，均用砂纸将表面打磨光滑。

阻燃剂：MAP，白色晶体，化学纯； SBX，由硼酸与硼砂以质量比为1∶1混合成的水溶液，所用硼酸和硼砂均为无色晶体，化学纯，以上药品均来自国药集团化学试剂有限公司；APP，HT-208，白色晶体，由济南泰星精细化工有限公司提供。

丙烯酸水性漆，由杭州光环涂料有限公司提供。

1.2 样品制备

为确定阻燃剂的浸渍工艺，以阻燃剂种类、浸渍液浓度、浸渍时间和浸渍温度为4个变量，采用正交试验，通过氧指数测试结果确定优选工艺条件。根据L9(34)正交因素表，共设置9组因素实验和一组空白试验(无阻燃处理竹材)，每一组样品依据正交因素表中所对应的条件进行浸渍。正交因素表如表1所示，正交试验样品用于氧指数测试。

根据正交试验结果，可得出较合理的浸渍工艺，根据优选工艺条件(阻燃剂浓度20%，浸渍温度40 ℃，浸渍时间0.5 h)，常压浸渍制备了用于锥形量热测试、涂饰性测试和流失性测试的样品。所有样品在测试前，均置于饱和溴化钠溶液环境中3 d，以保持样品含水率一致。

1.3 测试方法

1.3.1 极限氧指数 极限氧指数值是考察材料阻燃性能的一个重要指标，氧指数值越大，表明材料的阻燃性能越好。本实验采用JF-3型氧指数测定仪(南京市江宁区分析仪器厂)来测定样品的极限氧指数值，按GB/T 2406.2-2009标准测试。

1.3.2 锥形量热测试 采用锥形量热仪(英国燃烧测试技术公司)进行测试，实验条件：热辐射强度50 kW·m-2，温度740 ℃，时间600 s，测试竹材试样的引燃时间(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)，以此来表征材料的阻燃性能。

1.3.3 流失性测试 将阻燃剂浸渍并在饱和溴化钠溶液环境中存放3 d的样品置于250 mL的去离子水中，定期取样(1 h，3 h，6 h，12 h，24 h，72 h，7 d，14 d)，采用等离子体光谱仪测试取样水中的硼或磷元素浓度，计算阻燃剂的质量损失。

1.3.4 漆膜附着力 漆膜附着力测试主要是为了检验竹材经阻燃剂浸渍后，阻燃剂对材料表面涂饰性能的影响。本实验采用附着力测试仪/划格器QFH型百格刀(华国公司)进行检测，刀片尺寸为2 mm 11齿。漆膜附着力按 GB/T9286-1998标准测试。水性漆涂饰工艺：每块竹片涂刷4遍水性漆，每涂刷一遍，将竹片置于60 ℃烘箱固化30 min，取出后用砂纸将表面打磨光滑，再进行第二遍涂刷，共涂刷打磨4遍。最后将干燥的竹片置于饱和溴化钠溶液环境中3 d，用于漆膜附着力测试。

2 结果与分析

2.1 阻燃剂和浸渍工艺对竹片极限氧指数的影响

采用极限氧指数仪测试不同因素组合下试样的极限氧指数，结果列于表2，由表可知，经过阻燃剂处理的竹片其氧指数均高于34，其中，试验号3样品氧指数达到了54，未经阻燃剂处理的竹片，氧指数为30，这表明通过常压浸渍，3种阻燃剂均对竹片有阻燃效果。表2中R值为各因素的极差，极差越大，表明该因素的影响越重要。根据极差分析，R值的大小顺序为：阻燃剂的浓度(9.33)>阻燃剂种类(7.33)>浸渍温度(5.34)>浸渍时间(2.00)，表明阻燃剂的浓度和种类是主要影响因素。为考察各因素的水平关系，以因素水平变化为横坐标，指标平均值为纵坐标，画出水平与指标的关系图，见图1。由图可知，3种阻燃剂对竹片氧指数的影响次序依次为：MAP>SBX>APP；阻燃剂浓度越高和浸渍温度越高，阻燃效果越好，这主要是由于该浸渍条件下，竹片吸附的阻燃剂含量较高；浸渍时间对氧指数的影响不显著，这表明常压浸渍在0.5 h可达到竹片的吸附平衡。最佳方案应为：A1B3C3D2，因为D因素的极差最小，从节约时间成本考虑，优选方案为A1B3C3D1。因此，氧指数测试结果表明，20%浓度的MAP，在40 ℃下浸渍0.5 h处理竹材的工艺条件为优选方案。为了便于考察3种阻燃剂对竹片其他性质的影响，我们以此工艺参数(20%阻燃剂浓度，40 ℃下浸渍0.5 h)作为竹材阻燃处理条件，制备了用于锥形量热、涂饰性及阻燃剂流失性测试的样品。

2.2 锥形量热测试分析

锥形量热仪(CONE)实验是目前用于研究材料阻燃性的重要研究手段。图2给出了阻燃处理后竹片的热释放速率与时间关系曲线，通过该曲线可以获得试样的引燃时间(TTI)、热释放速率(HRR)、热释放总量(THR)和发烟总量(TSP)的结果，具体结果如表3所示。TTI越长，表明材料越不易点燃，火灾危险性越小；从表3可以看出，经过阻燃剂处理后，试样引燃时间均有延长，其中，SBX处理材的引燃时间最长。HRR与THR是表征火灾强度的重要参数，HRR与THR越大，表明燃烧时反馈给材料单位面积的热量多，材料热解快、挥发性可燃物生成量增加，从而加速火焰传播。因此，HRR或THR值越高，材料在火灾中的危险性越大。与未阻燃处理竹片相比，阻燃处理样品的第一放热峰值略微上升，第二放热峰值降低，THR降低。从THR数据可得，阻燃效果顺序依次为：SBX>MAP>APP，SBX效果最好，THR较未处理竹片降低了18.3%。材料的发烟量也是评价材料燃烧性能等级的重要参数，TSP数据为材料在燃烧过程中的发烟总量，与未阻燃处理竹片相比，经过阻燃剂处理后的竹片TSP显著下降，抑烟效果依次为：SBX>APP>MAP，SBX效果最好，TSP较未处理竹片下降了92.2%。锥形量热测试表明：3种阻燃剂均能有效降低热释放总量、延长点燃时间并抑制发烟总量；其中，SBX在各方面均表现最好。

表2 竹材极限氧指数检测结果

图1 不同因素水平与极限氧指数关系图Fig.1 The relationship between different factors and limit oxygen index

图2 阻燃处理后竹块的热释放速率与时间关系曲线Fig.2 Heat release of bamboo treated with flame retardants

图3 3种阻燃处理竹片阻燃剂的流失率随时间的变化关系Fig.3 The relationship between the loss rate of the flame retardant and the time

2.3 阻燃剂的流失性

通过常压浸渍制备的阻燃竹材，其阻燃效果的持续性与阻燃剂在竹材上的保持性密切相关，因此，我们考察了浸渍后竹片阻燃剂的抗流失行为。图3给出了随浸泡时间延长，3种阻燃处理竹片阻燃剂的流失率。由图可知，在水中，3种阻燃竹片阻燃剂开始流失较快，到后期趋向于平衡，其中，SBX的流失率最少，14 d流失率为53%，APP与MAP流失率高，分别达到了82%和96%。这主要是由于常压浸渍的阻燃剂未与竹片发生化学相互作用，也未经涂层保护处理，仅通过物理吸附在竹材表面和浅表层，因此，3种阻燃剂的流失性都较高，要用于实际应用仍需进行后期处理。

2.4 阻燃剂浸渍对竹材表面涂饰性质的影响

经过阻燃处理的竹片，可通过表面涂饰提高阻燃剂的抗流失性，因此，考察阻燃剂对竹材表面涂饰性的影响也非常重要。本部分参照GB/T9286-1998标准，通过漆膜附着力测试来研究竹材表面的涂饰性。图4给出了经过划格器处理竹材表面漆膜的照片，由图可知，未经阻燃剂处理的竹材表面附着力好，切割后，几乎无脱落，可达2级；经过阻燃剂SBX处理后，竹材表面的涂饰性未发生改变，仍为2级；而APP与MAP处理后，竹材表面切割后，漆膜出现大面积脱落，表明竹材表面附着力明显下降，APP处理竹片附着力为3级，MAP处理竹片附着力为4级。

未处理竹片，(B)SBX处理竹片，(C)APP处理竹片，(D)MAP处理竹片Untreated, (B)SBX, (C)APP and (D)MAP图4 阻燃剂处理竹材表面漆膜附着力测试照片Fig.4 Photos of adhesive force of the coating of bamboo treated by different flame retardants

3 结 论

(1)通过正交试验氧指数测试，得到了阻燃竹材处理的优选浸渍工艺：阻燃剂浓度20%，浸渍温度40 ℃，浸渍时间0.5 h，此工艺下浸渍的竹片，极限氧指数值均在40以上。

(2)锥形量热测试表明：3种阻燃剂均能有效降低热释放总量、延长点燃时间并抑制发烟总量；其中，SBX在各方面均表现最好。涂饰性测试表明，SBX阻燃剂处理仍保持竹材表面漆膜较好的附着力，而APP和MAP阻燃处理使竹片的表面漆膜附着力明显下降。3种阻燃处理竹片在水中浸泡后，阻燃剂流失性均较高，SBX处理竹片相对较好，14 d流失率为53%。综合分析，相比APP与MAP，SBX常压浸渍制备的阻燃竹片在各方面性质均表现较好，但仍需提高其抗流失性。

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The Performances of Bamboo Treated with Three Flame Retardants

ZHENG Ming-huan1, WANG Kai1, WU Qiang1,2*, ZHANG Wen-biao1,2, ZHANG Xiao-chun1,2, LI Chao-bin3, ZHOU Zhao-cheng3, ZHANG Shui-hua3

(1.College of Engineering, Zhejiang A&F University, Lin’an 311300，Zhejiang，China;2.Key Laboratory of Wood Science and Technology, Lin’an 311300， Zhejiang，China;3.Suncha Bamboo & Wood Co. Ltd, Hangzhou 311100，Zhejiang，China)

Three flame retardants，including ammonium polyosphate(APP), boric acid/borax(SBX) and monoammonium phosphate(MAP)，were used to prepare retardant bamboo by the impregnation method. The combustion properties were characterized by limiting oxygen index (LOI) and cone calorimeter, while the leaching resistance of flame retardants and painting performance of treated bamboo were also studied. The results showed that these flame retardants improved the LOI of the bamboo, of which the MAP treated bamboo performed the best. Based on the orthogonal experiments，the optimum impregnation parameters were 20% flame retardants under 40 ℃ for 0.5 h. The cone calorimeter test showed that the three flame retardants all effectively reduced the heat release rate, total heat release and total smoke release of the bamboo, and the SBX treated bamboo had the best retardant properties. Moreover, the painting test showed that the SBX did not influence the adhesive force of coating on bamboo, while APP and MAP decreased the adhesive force of coating on bamboo significantly. The leaching study demonstrated that the leach resistance of the three flame retardants was low.

Flame retardant; Bamboo; Impregnation; Limiting oxygen index; Leach resistance

2016-08-03

浙江省重大科技专项( 2014C02004)

郑铭焕(1995-)，男，主要从事竹材阻燃方面研究。通信作者：吴强，博士，副教授，从事纳果纤维素及其复合材料制备等方面研究。E-mail: wuqiang@zafu.edu.cn