复合阻燃剂对杨木胶合板性能的影响*

陈 杰 余丽萍 田美芬 王 英 龙治宇

（1.贵州大学林学院，贵阳 550025； 2.贵州杉王木业有限责任公司，贵阳 550025）

胶合板是我国人造板中的主导产品，因其具有强度高、容重比小、加工简单，且能保持天然木材花纹等优点被广泛应用于家具、建筑及室内装饰等领域。普通杨木胶合板是由速生杨木树干旋切成单板，然后用胶黏剂将三层或多层单板胶合粘结而成[1]，属于易燃材料。根据GB/T 8626—2007《建筑材料可燃性试验方法》规定，未经阻燃处理的胶合板被列为B2级可燃性木质材料[2]，其应用越多，则火灾隐患越大。因此，胶合板制造中采用合适的阻燃剂对于提高产品附加值及其竞争力具有重要意义。

本研究用硼酸、磷酸、氯化铵、锰化物等药剂复配制成浓度为15%的多元素复合阻燃剂，用该复合阻燃剂浸渍处理杨木单板压制成胶合板，通过对胶合板的燃烧性能及物理力学性能的测定，分析探讨其对杨木胶合板性能的影响，以期通过该复合阻燃剂的处理有效提高胶合板的阻燃性能，降低其烟气释放量及烟气毒性，为研发阻燃性能优良且环保的胶合板提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

材料：杨木单板（Populusspp.），含水率为12%，规格：910 mm×300 mm×2.2 mm，购于灌南县共兴木业有限公司。

阻燃剂：通过前期大量预试验，确定用4%的锰化物、3%的磷酸、2%的硼酸和6%的氯化铵制备试验用复合阻燃剂。其中，硼酸（H3BO3）、磷酸（H3PO4）、氯化铵（NH4Cl），均为天津市永大化学试剂有限公司产品；锰化物，上海阿拉丁生化科技股份有限公司产品。

胶黏剂：主剂为马来西亚产脲醛胶粉（产品编号为C360），在胶粉中加入一定比例的水搅拌均匀后使用，调配比例为胶粉：水=100:80，加入混合液重量0.5%的氯化铵饱和水溶液。

设备：人造板万能力学试验机，型号MWB-W50，济南试金集团有限公司产品；锥形量热仪，型号FTT2000，英国FTT公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 杨木单板处理及胶合板制备

将杨木单板置于温度为（60±5）℃的恒温干燥箱中烘干至恒重，然后将其置于配制好的阻燃剂溶液中在室温下浸泡5 h，取出后再于（90±5）℃的干燥箱中烘干至含水率为5%～9%备用。试验压制的胶合板为五层胶合板，采用双面涂胶，双面涂胶量为220 g/m2，热压工艺参数:温度90～95 ℃，保压时间15 min，压力为15 kg/cm2。

1.2.2 阻燃杨木胶合板性能评价

燃烧性能和抑烟性能：用FTT2000型锥形量热仪（Cone）测定试样的燃烧性能，以50 kW/m2的热辐射强度测试。根据ISO5660-1-2016"Reaction to fire testsheat release，smoke production and mass loss rate-part 1:heat release rate ( cone calorimeter method）"测定总释放热(THR)、热释放速率(HRR)、有效燃烧热(EHC)、一氧化碳(CO)生成率（COY）和总烟释放量（TSR）等指标,阻燃试件与空白试件各测试4个重复。

力学性能：参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，测定胶合板的胶合强度（阻燃试件与空白试件各测试8个重复），弹性模量和静曲强度（阻燃试件与空白试件各测试8个重复）。

甲醛释放量:参照GB/T 17657—2013用干燥器法测定胶合板的甲醛释放量，阻燃试件与空白试件各测试3组重复。

2 结果与分析

2.1 燃烧性能

2.1.1 热释放速率（HRR）和总释放热（THR）

胶合板在燃烧过程中会不断释放热量，热量反作用于胶合板，加速胶合板的燃烧速度，因此HRR和THR越低则阻燃效果越好。从图1可以看出，阻燃胶合板热释放速率峰值( pk-HRR)和平均热释放速率分别为134.37 kW/m2和80.20 kW/m2，空白胶合板的分别为187.13 kW/m2和108.85 kW/m2，阻燃组比空白组分别减小了28.19%和26.32%；且释放时间相差较大，阻燃胶合板在燃烧128 s时熄灭，停止热释放，而空白胶合板在阻燃胶合板停止燃烧后继续燃烧500 s左右，直至全部成碳,这是由于阻燃剂在燃烧过程中受热而形成连续且紧密的碳层以隔绝空气中的氧气和热量的传递，并生成了氨气等大量不燃性气体稀释了可燃气体,从而使其较早地停止了燃烧[3]。热释放速率和燃烧时间的大幅度降低可以延缓胶合板达到燃点温度，从而延缓火势的蔓延，降低胶合板的火灾危险性。

图1 杨木胶合板HRR曲线Fig.1 The HRR curves of poplar plywood

由图2可知,阻燃胶合板和空白胶合板的释放热值几乎同时开始上升，随时间的增加，阻燃胶合板的总释放热明显低于空白胶合板。阻燃胶合板总释放热为6.89 MJ/m2，空白胶合板总释放热为69.21 MJ/m2，与后者相比，前者降低了90.04%。其原因在于，胶合板经阻燃剂处理后，阻燃性能得以提升，因而其燃烧时间缩短，热释放降低，极大地减缓了火灾中着火点周围温度的上升，有效延缓了火灾蔓延时间和速度。

图2 杨木胶合板的THR曲线Fig.2 The THR curves of poplar plywood

2.1.2 有效燃烧热（EHC）

有效燃烧热（EHC）是指在某一时刻测得胶合板燃烧的热释放量与质量损失量的比值，反映的是胶合板热解产生的可燃性挥发物在气相火焰中的氧化燃烧程度。图3是阻燃胶合板和空白胶合板的有效燃烧热对比图，结果显示：阻燃胶合板的有效燃烧热峰值与均值与空白胶合板的相比，分别降低了22.34%和34.44%，说明阻燃胶合板在燃烧过程中挥发的可燃性物质氧化燃烧程度相对于空白胶合板的要低，燃烧不完全，从而降低了有效燃烧热的释放，在燃烧过程中发挥了阻燃效果。

图3 杨木胶合板的EHC曲线Fig.3 The EHC curves of poplar plywood

以上数据表明：经过阻燃剂处理的胶合板阻燃效果较好，这是由于阻燃剂在受热过程中分解吸热降低胶合板表面的温度，同时释放出氮气、氨气等不燃气体隔绝或稀释了氧气，有效限制了胶合板的有焰燃烧；阻燃剂中含有磷酸，在燃烧过程中磷酸分解生成小分子磷酸或偏磷酸，促使有机材料脱水炭化并在材料表面形成致密炭层，使胶合板表层温度降低并延缓火势蔓延；此外阻燃剂中的硼酸在火焰中熔化，沿纤维形成玻璃体外层，可隔绝氧气和热量传播等，从而提高了胶合板的阻燃性能[3-5]。

2.2 烟气释放量

火灾过程中产生的有毒气体和烟气会使人窒息或中毒死亡，因此应对有毒气体和总烟释放量（TSR）进行有效控制。

图4 杨木胶合板的COY曲线Fig.4 The COY curves of poplar plywood

从图4可看出，阻燃胶合板燃烧时间短，说明阻燃剂有明显阻燃效果，空白胶合板一氧化碳生成率（COY）为0.118 6 kg/kg，阻燃胶合板的COY为0.115 6 kg/kg，比前者降低了2.53%。在火灾发生时，CO生成率减小，可使烟雾毒性降低，这意味着火灾中对人身安全的威胁也相应减小。

由图5可知，阻燃胶合板的总烟释放量明显低于空白胶合板。阻燃胶合板的总烟释放量为35.42 m2/m2，相比空白胶合板的112.09 m2/m2，降低了68.40%，这是因为阻燃剂中锰化物和硼酸等均能有效降低烟气产量，具有较好的抑烟性能[6]。

图5 杨木胶合板的TSR曲线Fig.5 The TSR curves of poplar plywood

2.3 胶合板力学性能

对胶合板的胶合强度、静曲强度和弹性模量进行检测，结果如表1所示。

表1 胶合板力学性能检测结果Tab.1 The mechanical properties of plywood /MPa

从表1可以看出，阻燃胶合板胶合强度较空白胶合板降低了1.10 MPa，但是仍满足GB/T 9846—2015中胶合强度≥0.7 MPa的要求。试验采用阻燃剂溶液浸渍处理杨木单板，在胶合板压制过程中，阻燃剂对胶黏剂固化产生影响，同样因为阻燃剂的浸入，胶合板静曲强度和弹性模量均有所降低，但是仍符合(当9 mm≤t≤12 mm，静曲强度≥28 MPa，弹性模量≥5 000 MPa）标准要求。这是由于氮磷阻燃剂具有一定的吸湿性，经过阻燃处理的单板吸收了空气中一定量的水分，表面润湿，使胶液更易铺展、渗透，导致胶合界面上胶量不足，从而对胶黏剂固化产生一定的影响[7]，进而影响胶合板的胶合强度；阻燃剂浸入单板后改变了其表面粗糙度，使胶黏剂与板材表面结合受到影响，进而影响到胶合板的胶合强度[8-9]、静曲强度和弹性模量[10]。表1数据表明：阻燃剂对胶合板的物理性能有一定负面影响，但仍满足国家标准要求。

2.4 甲醛释放量

从图6可以看出，空白胶合板的甲醛释放量为19.90 mg/L，阻燃胶合板的为16.95 mg/L，虽然没有达到E1级标准，但经过阻燃处理后的甲醛释放量下降了14.82%，这是由于阻燃剂中的氨基与甲醛进行反应，带走了板材中部分游离甲醛，进而降低了胶合板甲醛释放量。

图6 杨木胶合板的甲醛释放量Fig.6 The formaldehyde emission of poplar plywood

3 结论

以硼酸、磷酸、氯化铵、锰化物为主要成分配制复合阻燃剂，并用浸渍法处理杨木单板，压制胶合板，研究多元素复合阻燃剂对杨木胶合板性能的影响。结果表明：该阻燃剂对胶合板阻燃性能有积极影响。与未处理的普通杨木胶合板相比，该阻燃胶合板的热释放速率(HRR)降低了26.32%、总释放热(THR)降低90.04%，总烟释放量（TSR）降低68.40%，同时甲醛释放量降低了14.82%，说明该阻燃剂不仅有良好的阻燃效果和抑烟效果，还具有一定的甲醛捕捉能力。该阻燃剂对胶合板力学性能有一定的负面影响，板材的胶合强度、弹性模量、静曲强度均有一定程度降低，但仍能达到GB/T 9846—2015《普通胶合板》标准要求。配制复合阻燃剂的药剂均采自市场，来源方便，成本较为低廉，而阻燃抑烟效果较好。本研究对于阻燃胶合板的开发与应用具有一定的参考意义。