一种脲醛树脂型木材阻燃剂的研究

陈 玲， 尹子康， 刘 冰， 雒 鹰， 崔铁花， 李继平， 付晓霞

(吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033)

研究与设计

一种脲醛树脂型木材阻燃剂的研究

陈 玲， 尹子康， 刘 冰， 雒 鹰， 崔铁花， 李继平， 付晓霞

(吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033)

以甲醛与尿素加成反应的中间产物为载体，配合其他防火阻燃剂，通过加成和缩聚反应制取树脂型阻燃剂，利用单板层积材的生产原理制成阻燃单板层积材。根据各种性能指标分析，确定最佳树脂型阻燃剂配方。研究结果表明，使用该阻燃剂生产的阻燃单板层积材满足国家标准要求，并可降低甲醛释放量，提高板材强度。

脲醛树脂；阻燃剂；单板层积材；甲醛释放量

木质材料是重要的工业工程材料，可用于各种风格和形式的建筑中，但木质材料亦有其自身的缺点，其中之一就是具有可燃性，在建筑装修中大量使用木材及木质材料存在一定的火灾隐患。为减少火灾及其造成的损失，世界各国都在积极地研究开发木材阻燃技术及制定相关的阻燃标准。我国也将各类木质材料列为B2级可燃材料，按消防法规规定，在高层建筑中使用木制品必须经过阻燃处理[1-3]。

阻燃技术的应用是保护木材及其制品的重要手段之一，利用阻燃技术可使木质材料的应用领域更加广泛，使建筑装饰用木材的防火安全性大大提高。了解木材阻燃技术的研究进展，研制和开发新型木材阻燃剂及阻燃处理工艺，规范阻燃性能的检测，对木材阻燃工业化生产和阻燃材的推广应用具有重要意义[4-7]。

树脂型阻燃剂是一种性能优良的阻燃剂，应用其制得的阻燃单板层积材产品不但具有良好的阻燃性，同时还可提高材料的强度和尺寸稳定性。树脂型阻燃剂的开发不仅能给企业带来经济效益，同时也具有较大的社会效益。

1 试验材料及合成工艺

1.1 试验材料

①甲醛：含量37%，工业品，天津市福晨化工试剂厂生产；②尿素：纯度大于98%，工业品，通化化工股份有限公司生产；③硼砂：含量95%，工业品，郑州澳彩化工原料有限公司生产；④氢氧化钠：含量30%，分析纯，上海化学试剂总厂生产；⑤甲醛捕捉剂：市面采购；⑥稳定剂：市面采购；⑦杨木旋切单板：厚度1.5 mm，含水率8%左右，长春柏盛龙佳木业有限公司生产；⑧脲醛树脂胶：黏度3 000～4 500 mPa·s，比重1.26 g/cm3，吉林省天源粘合剂有限公司生产。

1.2 合成工艺

①将甲醛加入到反应釜中，开启搅拌器；②用氢氧化钠溶液将其pH值调至8～9；③将尿素加入到反应釜中；④升温至70 ℃±2 ℃，保温30 min；⑤将硼砂加入到反应釜中反应10 min；⑥将甲醛捕捉剂和稳定剂加入到反应釜中反应10 min；⑦将水加入到反应釜中，放料。

2 阻燃非结构用单板层积材制备及理化性能测定

2.1 单板层积材制备

①用合成的脲醛树脂型阻燃剂浸渍单板12 h；②对浸渍后的单板进行干燥，使其含水率达到8%左右；③对干燥后的单板进行涂胶、组坯、热压。

9层单板，施胶量300 g/m2(双面)，热压温度105 ℃，热压时间14 min，热压压力1.2 MPa。

2.2 单板层积材理化性能测定

按不同的试验水平选定甲醛与尿素的重量比、阻燃剂硼砂的添加量、甲醛捕捉剂的添加量和稳定剂的添加量进行正交试验，测定阻燃非结构用单板层积材的理化性能，以确定脲醛树脂型阻燃剂的最佳配方。

考虑到甲醛与尿素不同的摩尔比会对加成反应生成的一羟甲基脲和二羟甲基脲的量以及游离甲醛的量产生影响，将甲醛与尿素重量比的水平定为1.3(摩尔比为0.96)、1.4(摩尔比为1.04)、1.5(摩尔比为1.11)和1.6(摩尔比为1.18)，然后根据大量的探索性试验确定阻燃剂硼砂、甲醛捕捉剂和稳定剂的添加量。选定的因素和水平见表1。

表1 因素和水平

甲醛与尿素重量比(甲醛添加量(g)/尿素添加量(g))阻燃剂硼砂添加量/g甲醛捕捉剂添加量/g稳定剂添加量/g11.3(130/100)60142.521.4(140/100)65153.031.5(150/100)70163.541.6(160/100)75174.0

按照正交试验，每个因素水平组合的每个配方的量为350 g左右，考虑到成本因素，对树脂型阻燃剂进行稀释，以减小浓度，并将水的添加量定为350 g。

理化性能测定包括浸渍剥离性能、甲醛释放量、氧指数及活性期测定。

3 试验结果与分析

正交试验方案及结果见表2。

3.1 甲醛与尿素重量比对浸渍剥离性能、甲醛释放量、氧指数和活性期的影响

从正交试验结果可以看出，在试验范围内，甲醛与尿素重量比对单板层积材的浸渍剥离性能和氧指数以及阻燃剂的活性期均无影响，对单板层积材甲醛释放量的影响显著。

随着甲醛与尿素重量比的增加，单板层积材甲醛释放量增加是由于此时甲醛的相对量增加所致。

3.2 阻燃剂硼砂添加量对浸渍剥离性能、甲醛释放量、氧指数和活性期的影响

从正交试验结果可以看出，在试验范围内，阻燃剂硼砂添加量对单板层积材的浸渍剥离性能无影响，对单板层积材的甲醛释放量有影响，对单板层积材氧指数和阻燃剂活性期的影响高度显著。

随着阻燃剂硼砂添加量的增加，单板层积材甲醛释放量增加是由于硼砂的增加对低聚合度树脂的进一步聚合产生了负面影响，同时由于硼砂是碱性材料，其对单板层积材热压过程中脲醛树脂胶层的固化会产生消极影响，导致甲醛释放量增加；随着阻燃剂硼砂添加量的增加，单板层积材氧指数提高是

表2 试验方案及试验结果-L16(45)正交表

试验编号甲醛与尿素重量比(甲醛添加量(g)/尿素添加量(g))阻燃剂硼砂添加量/g甲醛捕捉剂添加量/g稳定剂添加量/g试验结果浸渍剥离性能/mm甲醛释放量/mg·L-1氧指数/%活性期/天1(1)1.3(130/100)(1)60(1)14(1)2.500.841.6202(1)1.3(130/100)(2)65(2)15(2)3.000.743.6203(1)1.3(130/100)(3)70(3)16(3)3.500.843.1204(1)1.3(130/100)(4)75(4)17(4)4.06.751.045.5205(2)1.4(140/100)(1)60(2)15(3)3.501.142.3156(2)1.4(140/100)(2)65(1)14(4)4.001.243.7267(2)1.4(140/100)(3)70(4)17(1)2.501.243.3128(2)1.4(140/100)(4)75(3)16(2)3.001.245.6199(3)1.5(150/100)(1)60(3)16(4)4.020.842.51110(3)1.5(150/100)(2)65(4)17(3)3.501.043.41111(3)1.5(150/100)(3)70(1)14(2)3.002.844.12612(3)1.5(150/100)(4)75(2)15(1)2.502.046.92313(4)1.6(160/100)(1)60(4)17(2)3.02.51.242.7714(4)1.6(160/100)(2)65(3)16(1)2.501.743.51015(4)1.6(160/100)(3)70(2)15(4)4.003.245.22516(4)1.6(160/100)(4)75(1)14(3)3.504.846.933各因子对浸渍剥离性能的影响k11.691.1300k20000.63k30.500.50k40.631.692.312.19R1.691.692.312.19各因子对甲醛释放量的影响k10.830.982.41.43k21.181.151.751.48k31.6521.131.93k42.732.251.11.55R1.91.271.30.5各因子对氧指数的影响k143.742.2843.4544.28k244.3843.3344.144.18k344.0844.1544.2343.8k443.8346.2344.244.73R0.683.950.780.55各因子对活性期的影响k12013.2526.2516.25k21816.7520.7518k317.7520.751519.75k418.7523.7512.520.5R2.2510.513.754.25

由于该树脂型阻燃剂中硼砂起主要的阻燃作用，随着阻燃剂硼砂添加量增加单板层积材的阻燃性提高，氧指数提高；随着阻燃剂硼砂添加量的增加，阻燃剂活性期延长是由于硼砂添加量增加对低聚合度树脂的进一步聚合产生了负面影响，使活性期延长。

3.3 甲醛捕捉剂添加量对浸渍剥离性能、甲醛释放量、氧指数和活性期的影响

从正交试验结果可以看出，在试验范围内，甲醛捕捉剂添加量对单板层积材的浸渍剥离性能和氧指数无影响，对单板层积材的甲醛释放量有影响，对阻燃剂活性期的影响高度显著。

随着甲醛捕捉剂添加量的增加，单板层积材的甲醛释放量减少是由于甲醛捕捉剂吸附了单板层积材热压过程中的游离甲醛，使甲醛释放量降低；随着甲醛捕捉剂添加量的增加，阻燃剂的活性期缩短是由于甲醛捕捉剂是酸性材料，其促进了低聚合度树脂的进一步聚合，使活性期变短。

3.4 稳定剂添加量对浸渍剥离性能、甲醛释放量、氧指数和活性期的影响

从正交试验结果可以看出，在试验范围内，稳定剂添加量对单板层积材的浸渍剥离性、甲醛释放量和氧指数无影响，对阻燃剂活性期的影响显著。

随着稳定剂添加量的增加，阻燃剂的活性期延长是由于稳定剂减缓了低聚合树脂的进一步聚合，使活性期延长。

3.5 确定最佳配方

根据正交试验的结果及分析，综合上述因素对单板层积材浸渍剥离性能、甲醛释放量和氧指数以及阻燃剂活性期产生的影响，为了尽可能提高单板层积材的浸渍剥离性能和氧指数，降低其甲醛释放量，延长阻燃剂的活性期，同时从经济角度考虑尽可能地降低成本，确定第6组为最佳配方。采用第6组配方对单板进行处理制得的阻燃非结构用单板层积材，其胶层剥离长度为0，甲醛释放量(1.2mg/L)达到E1级(≤1.5mg/L)，符合国家标准GB/T20241-2006 单板层积材中对非结构用单板层积材的相关规定要求；氧指数达到40%以上；阻燃剂活性期达到26天，为试验范围内的最佳值。

4 结论

(1)在试验范围内，随着甲醛与尿素重量比的增加，单板层积材的甲醛释放量增加；随着阻燃剂硼砂添加量的增加，单板层积材的甲醛释放量增加，氧指数提高，阻燃剂的活性期延长；随着甲醛捕捉剂添加量的增加，单板层积材的甲醛释放量减少，阻燃剂的活性期缩短；随着稳定剂添加量的增加，阻燃剂的活性期延长。

(2)制成的脲醛树脂型阻燃剂最佳配方为：甲醛与尿素重量比1.5(甲醛添加量150g、尿素添加量100g)，阻燃剂硼砂添加量65g，甲醛捕捉剂添加量17g，稳定剂添加量3.5g。

(3)采用脲醛树脂型阻燃剂对单板进行处理制得的阻燃非结构用单板层积材，其理化性能符合国家标准GB/T20241-2006 单板层积材中对非结构用单板层积材的相关规定要求，胶层剥离长度为0，甲醛释放量(0.84mg/L)达到E1级(≤1.5mg/L)；氧指数达到37%以上。

(4)试验用脲醛树脂制备的普通单板层积材的甲醛释放量超过E2级(≤5mg/L)，如果采用质量更好的脲醛树脂(甲醛释放量水平更低)，则采用本试验配方进行阻燃处理后板材的甲醛释放量将达到更低水平。使用本试验研发的脲醛树脂型阻燃剂，在达到阻燃效果的同时不会降低板材本身的性能，同时还会提高板材的强度并降低板材的甲醛释放量，具有阻燃、增强理化性能和降低甲醛释放量三重功效。

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(责任编辑 张雅芳)

Study on a Kind of UF Resinous Type Fire Retardant

CHEN Ling， YIN Zi-kang， LIU Bing， LUO Ying， CUI Tie-hua， LI Ji-ping， FU Xiao-xia

(Jilin Provincial Academy of Forestry Sciences，Changchun Jilin 130033，China)

The intermediate products of the addition reaction of formaldehyde and urea are used as carrier.Then other fire retardants are added to produce a resinous type fire retardant through addition reaction and polycondensation reaction.The fire-retardant LVL with the resinous type fire retardant is produced to determine its best formulation according to various performance indicators.The results show that the performance of the fire-retardant LVL can meet the national standard，and at the same time the formaldehyde emission is reduced and the board strength is improved.

UF resinous；fire retardant；LVL；formaldehyde emission

2016-10-18

吉林省林业厅林业科技项目“木材阻燃技术研究”(2013-001)

陈 玲(1981-)，女，助理研究员，博士，主要从事木质复合材料方面的研究，E-mail:530701653@qq.com。

TS612

A

2095-2953(2017)02-0040-04