5种竹材阻燃剂阻燃效果对比研究

李 能，陈玉和，翁甫金，吴再兴，李景鹏，何 盛，于海涵，罗 雷

(1.国家林业局竹子研究开发中心，浙江 杭州 310012； 2.浙江省竹子高效重点加工实验室，浙江 杭州 310012；3.浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023； 4.湖北省林业调查规划院，湖北 武汉 430079)

中国竹资源丰富，素有“竹子王国”之称，2013年大径竹产量为18.77亿根，竹木加工及制品制造业产值更是高达9 973.33亿元，其中竹地板产量为0.81亿m2 [1-2]。竹资源是最具有发展前景的森林资源之一，是一种可再生和可继续利用的生物质材料。竹子具有生长快、生物量大、再生能力强、一次栽植、永续利用等特征。竹材纹理美观、强重比高、可加工性强，深受人们喜爱[3-4]。竹材主要应用范围包括：地板、家具、结构材和装修材等领域。竹材是易燃性生物质材料，一般需经过阻燃处理才能达到强制性国家标准(GB20286-2006)要求的公共场所装饰装修用材料的阻燃级别[5]。竹材阻燃处理方法主要有浸注法、表面涂覆法、机械添加法、化学改性法，竹材常用的阻燃剂有磷氮系、氮磷硼复合系、树脂型阻燃剂等[6-11]，由于卤系阻燃剂燃烧时易产生大量烟雾和有毒气体，用量已逐步减少[12]。本文主要测试分析了5种自制的含有氮、硼等元素的化合物制备得到的阻燃剂处理竹材后的阻燃性能，阻燃剂处理工艺采用浸注法，阻燃效果采用氧指数表征。

1 材料与方法

1.1 实验材料

阻燃剂为自制，分别为FRA、FRB、FRC、FRD、FRE。FRA：25%，氮系阻燃剂，清亮溶液；FRB：20%，含硼，透明溶液；FRC：25%，含硼、锌、氨，白色溶液；FRD：25%，含硼、氨，浅白色溶液；FRE：25%，绛红色溶液，不透明。

试样有3种：竹片(长×宽×厚)100 mm×16.8 mm×2.4 mm，竹条(长×宽×厚)100 mm×7.5 mm×1.1 mm，竹片竹条均不含竹节；杨木单板(长×宽×厚)100 mm×75 mm×0.9 mm，主要用于对照。3种试样含水率为8.0%。

1.2 实验方法

1.2.1阻燃试样制备 制作试样，随机分成5组，标记为①②③④⑤；对应浸渍阻燃剂FRA、FRB、FRC、FRD、FRE，每种材料分别称量、记录。配置上述5种阻燃剂溶液，每种800 g，盛放在1 000 mL烧杯中，室内温度25 ℃。将试件置入烧杯，加玻璃片若干压顶，使试件可全部没入溶液中，标记此时液面位置，以便根据蒸发情况加水，保持溶液浓度基本不变。隔24 h取出称量，两次称重质量变化≤1%时取出试样，制备得到阻燃试样。

1.2.2试样载药率计算 试样浸注前质量为m0，浸注完成时试样质量为m1，阻燃处理后的试样置于101 ℃干燥箱干燥至绝干，此时试样质量为m2，试样浸注前含水率为8.0%，载药率FR%计算方法如公式1。

(1)

1.2.3氧指数测定 浸注后的试样置于室内环境中干燥1天后，转移到温度为23 ℃和湿度为50%的恒温恒湿箱中，调温调湿96 h后取出试件，竹片、竹条和杨木单板的含水率分别为7.48%、7.81%和7.99%。参照GBT 2406.2-2009测试方法采用氧指数测定仪(JF-4，南京市江宁区分析仪器厂)测试试样的氧指数。

2 结果与分析

2.1 载药率分析

图1是竹片、竹条和杨木单板在5种阻燃剂浸渍后的载药率。由图1可知：杨木单板的载药率远高于竹片和竹条，杨木单板的平均载药量分别是竹片和竹条的10.6和6.8倍。这是由于杨木单板材质疏松[13]、密度低导致药剂容易渗透到木材内部，细胞壁薄腔大储药量大；而竹材主要由纤维、基本组织、维管束、导管等组成[14]，基本无横向组织，纤维细胞腔极小，药剂很难透过纤维细胞渗透，没有横向组织导致药剂很难横向渗透，竹黄竹青部分也降低了药剂的渗透率，这些竹材组织和结构影响了竹材药剂的渗透。竹条阻燃剂载药率比竹片载药率高，这可能是由于竹条的体积小于竹片，表面积增加有利于药剂的渗透率提高。阻燃剂FRC在竹片和竹条中渗透性最好，载药率分别达到了5.3%和7.5%，其次是阻燃剂FRA和FRD，阻燃剂FRB竹片和竹条的载药量比较低，其值分别为1.9%和3.6%。

2.2 氧指数分析

氧指数测定是一种广泛运用于筛选阻燃剂的配方、判定材料的燃烧性能的方法。氧指数试验是测量试样在氧、氮混合气体中刚好维持燃烧时所需的最低氧浓度。氧指数测定方法具有简便、重复性较好等优点。图2为5种阻燃剂浸渍竹木材后制备的试样的氧指数值。对照试样杨木单板的平均氧指数普遍高于竹片和竹条的氧指数，杨木单板的平均氧指数约为竹片和竹条的1.8和1.9倍。阻燃剂FRA、FRB、FRC和FRD处理的杨木单板氧指数远高于同种药剂处理的竹片和竹条试样，阻燃剂FRE处理的杨木单板弱高于同种药剂处理的竹片和竹条试样，仅高约1%。相对于杨木单板载药率与竹片、竹条载药率之间差异，氧指数值在杨木单板与竹片、竹条的差异要小很多，这说明载药量提高一定程度上可以提高材料的阻燃性能，但是阻燃性能与载药量并不成正比例关系。阻燃剂FRB载药量在5种阻燃剂中排名第4，仅高于阻燃剂FRE，但是阻燃剂FRB竹片和竹条的氧指数是5种阻燃剂中最高的，分别为40.1%和38.2%。这说明阻燃剂FRB是本文研究的5种竹材阻燃剂之中阻燃性能最优的。

图1 5种阻燃剂在竹片、竹条和杨木单板上的载药率Fig.1 The loading efficiency of bamboo chips，bamboo sticks and wood veneer for 5 kinds of flame retardants

图2 5种阻燃剂处理后的试样氧指数值Fig.2 The oxygen index of samples treated with 5 kinds of flame retardants

图3 阻燃剂载药量与试样氧指数关系图Fig.3 The relationship between the flame retardant loading and the sample oxygen index

2.3 载药率与氧指数相关性分析

图3为试样浸渍阻燃剂的载药量与其氧指数的相关分析图。由图3可知：阻燃剂载药量与试样阻燃性能呈现正相关，预测氧指数与实测氧指数存在一定的相似度。浸渍阻燃剂FRE的杨木单板载药量为45.3%、氧指数为30.1%，实测氧指数与预测氧指数相差较大，这可能是由于阻燃剂FRE的阻燃效果较差，载药量增加时阻燃性能变化不明显。相对于阻燃剂FRE载药量仅为1.3%和3.4%竹片和竹条试样，杨木单板试样氧指数值呈现略微增长，增长量为1%。

从图1看，竹片载药率低于竹条(FRE除外)，而从图2看，竹片氧指数并不低于(FRB、FRD甚至高于)竹条，这可能与氧指数测定时试样的尺寸效应有关，燃烧时较大规格的竹片表面炭化，而炭的极限氧指数高达65%，故一定程度上使测得的氧指数增大。

3 结论

研究发现：5种竹材阻燃剂中阻燃剂FRB阻燃效果最佳，其浸注处理的竹片和竹条的氧指数分别为40.1%和38.2%。阻燃剂FRB处理的竹片和竹条载药率仅为1.9%和3.6%，可见如何提高阻燃剂FRB在竹材总的渗透性仍需进一步研究。阻燃剂载药量与试样阻燃效果一定程度上呈现正相关。

[1] 国家林业局. 2014年中国林业发展报告[EB/OL]. 2014-11-26.http://www.forestry.gov.cn/main/62/content-750495.html.

[2] 李能. 耐光老化重组竹制备与性能表征[D]. 北京：中国林业科学研究院，2017.

[3] Li N，Chen Y，Bao Y，etal. Evaluation of UV-permeability and photo-oxidisability of organic ultraviolet radiation-absorbing coatings[J]. Applied Surface Science，2015，332：186-191.

[4] 李能，陈玉和，张泽前，等. 竹材耐光老化有机涂层的紫外屏蔽性能[J]. 南京林业大学学报(自然科学版)，2015，39(1)：173-176.

[5] 王飞，刘君良，吕文华. 木材功能化阻燃剂研究进展[J]. 世界林业研究，2017，30(2)：62-66.

[6] 崔会旺，杜官本. 木材阻燃研究进展[J]. 世界林业研究，2008，21(3)：43-48.

[7] 吴再兴，陈玉和，李能，等. 应用混料设计优化水性膨胀型阻燃涂料配方[J]. 中南林业科技大学学报，2013，33(12)：170-173.

[8] 吴再兴，陈玉和，包永洁，等. 阻燃剂用量和胶黏剂种类对竹材胶合强度的影响[J]. 中国人造板，2013(1)：20-22.

[9] 刘姝君，储富祥，于文吉. 竹质阻燃材料处理的研究进展[J]. 竹子研究汇刊，2012，31(4)：52-56.

[10] 郑铭焕，汪铠，吴强，等. 3种阻燃剂浸渍处理竹片的性能研究[J]. 竹子研究汇刊，2016，35(4)：8-13.

[11] 王灵燕，聂玉静，陈争骥，等. 我国木材阻燃研究现状及发展趋势[J]. 浙江林业科技，2016，36(5)：82-88.

[12] 陈志林，Zhiyong Cai，Jerrold E.Winandy，等. 美国阻燃人造板研究现状与应用[J]. 中国人造板，2009，16(4)：6-10.

[13] 王新爱，朱玮，汪玉秀，等. 杨木材性的化学改良技术[J]. 西北林学院学报，2001，16(1)：76-81.

[14] 余养伦. 高性能竹基纤维复合材料制造技术及机理研究[D]. 北京：中国林业科学研究院，2014.