基于3种评价方法的阻燃刨花板燃烧特性分析

卢金汉，姜鹏，陈志林，李路明

(中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091)

目前，刨花板已被广泛应用于建筑、室内装饰装修、家具等各种领域。据最新不完全统计，2018年全国刨花板产量达到2 732万m3[1]。随着国家标准GB 50222—2017《建筑内部装修设计防火规范》的实施，阻燃刨花板作为一种功能型人造板，其受关注程度也逐渐提高。单体燃烧试验(SBI)、锥形量热仪试验(CONE)和火传播试验(FP)是衡量和评价阻燃刨花板燃烧性能最常用的3种检测手段。在实际应用过程中3种方法的原理及优缺点如表1所示。

表1 3种测试方法对比Table 1 Comparison table of three testing methods

SBI试验(如图1a所示)方法通过衡量大尺寸试样在有明火条件下的燃烧性能，模拟真实火灾场景，试验过程具有代表性[2-3]，在行业中认可度较高。根据国家标准GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》其燃烧等级从高到低分为A、B1、B2、B3。CONE试验(如图1b所示)是一种小尺寸试验方法，常用于研究各类材料的阻燃机理，为性能化防火设计和火灾模型化提供数据[4-6]，在阻燃产品研发和质量控制方面具有一定优势。FP试验(如图1c所示)依据国家标准GB/T 17658—2018《阻燃木材燃烧性能试验 火传播试验方法》和欧洲标准BS 476-6：2009“防火性能测试”设计，通过测试材料的火焰传播性能，进而评估材料的燃烧性能。该测试方法因其兼具SBI测试的明火点燃和CONE测试的热辐射燃烧环境功能，而得到了越来越多的关注[7-8]。

图1 3种测试设备结构示意图Fig. 1 Basic structure drawing of the apparatus for three testing methods

综上， SBI、CONE和FP试验均为评价木质材料燃烧性能的重要手段，故分析三者之间相关性对综合评价木质材料的燃烧性能具有重要意义。本试验以阻燃刨花板为研究对象，拟通过分析SBI、CONE和FP试验关键参数，对比3种测试方法评价木质材料燃烧性能的不同与联系，旨在为进一步完善阻燃刨花板的评价体系提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 原 料

阻燃剂：磷杂菲阻燃剂(DOPO)，聚磷酸铵/三聚氰胺(APP/MEL的质量比3∶1)组成膨胀型阻燃剂。胶黏剂：脲醛树脂胶黏剂，固含量58%。刨花：杨木和果杂木，含水率9%～11%，棒状，长度5～10 mm，由河北易县圣霖板业有限公司提供。

1.1.2 样品制备

在普通连续平压式刨花板生产线上制备，干刨花拌胶阶段施加阻燃剂，其中DOPO阻燃剂施加于表层刨花中，APP复配阻燃剂施加于芯层刨花中。板坯热压温度为220 ℃，压机传送带速度为14 m/min。试验采用分层阻燃方式进行处理：

1)普通刨花板(PB)：芯层刨花施胶量为10%，表层刨花施胶量约为8%。

2)阻燃刨花板(FRPB)：芯层刨花施胶量为10%，阻燃剂施加量为5%；表层刨花施胶量约为8%，阻燃剂施加量为15%。

1.2 试验方法

1.2.1 单体燃烧试验

SBI设备由莫帝斯燃烧技术中国有限公司生产。按照国家标准GB/T 20284—2006中规定进行试验。试样尺寸为：有两个翼的角型试样，分为长翼和短翼。长翼尺寸1 500 mm×1 000 mm×18 mm，短翼尺寸1 500 mm×500 mm×18 mm。

1.2.2 锥形量热仪试验

试验用锥形量热仪由英国FTT公司生产。试验按照ISO 5660：2015中规定进行。热源辐射强度为50 kW/m2，是日本建筑基准法按照材料的发热性确定的不燃材料、准不燃材料和难燃材料的标准辐射强度。试样尺寸为100 mm×100 mm×18 mm。

1.2.3 火传播试验

火传播试验设备由南京江宁分析仪器有限公司生产，ProtIR 204M红外烟气分析仪由英国Protea公司生产。试验按照国家标准GB/T 17658—2018中规定进行。试样尺寸为225 mm×225 mm×18 mm。试样数量为5个，其中2个备用。

以上3种试验方法均重复3次，且每次重复的样品均取自同批次两张幅面为1 220 mm×2 440 mm×18 mm的刨花板上。

1.2.4 扫描电镜试验

SU8010型场发射扫描电子显微镜，由日本Hitachi公司生产。观察测试后样品相同位置表面残炭的微观结构，扫描测试电压为20 eV。

2 结果与分析

2.1 3种测试方法中主要参数对比

燃烧增长速率指数(FIGRA)和火传播指数(S值)衡量材料燃烧等级的重要参数。其中，在SBI测试中，FIGRA(SBI)的计算公式如式(1)：

(1)

式中：FIGRA为燃烧增长速率指数，W/s；HRRav(t)为热释放速率HRR(t)的平均值，kW；max[a(t)]为规定时间内a(t)的最大值；t为受火时间，s。

在CONE测试中，FIGRA(CONE)也可基于公式(1)得到[9]。SBI和CONE测试中HRR均由耗氧原理计算得到。

火传播指数S值是在FP试验中，利用热电偶连续记录燃烧实时温度与起始温度的差值，计算方法如式(2)：

(2)

式中：S为被测样品的火传播指数，℃/min；t为时间，min；Qc为标定过程中记录温度减去最初温度，℃；Qs为燃烧试验中记录温度减去最初温度，℃。

试样通过SBI和CONE测试，得到的HRR、THR和FIGRA变化曲线如图2。试样通过火传播试验的温升变化曲线见图3。样品通过3种测试方法中关键参数的对比见表2。图2中SBI测试数据表明，PB的FIGRA0.2MJ(THR达到0.2 MJ时的瞬时燃烧增长速率指数)和THR600s(试样受火于主燃烧器最初600 s内的总热释放量)分别为372.90 W/s和28.50 MJ，而FRPB的FIGRA0.2MJ和THR600s分别为90.20 W/s和7.60 MJ，达到GB 8624—2012中对B1-B级(FIGRA0.2MJ≤120 W/s；THR600s≤7.5 MJ)的标准要求。综合图2和图3，并通过比对3种测试方法的燃烧指数(表2中FIGRA0.2MJ和S值)发现，相比于普通刨花板，FRPB的FIGRA0.2MJ(SBI)降低了75.5%，FIGRA0.2MJ(CONE)降低了72.5%，火传播指数S值降低了91.1%。结果表明，3种测试方法对FRPB燃烧指数的降低幅度影响较小。FIGRA可根据式(1)计算获得，通过对比PB和FRPB热释放速率峰值(pkHRR)发现，在SBI测试中的pkHRR(SBI)降低了80.2%。不同于样品在SBI测试中持续明火点燃条件下的燃烧速率单峰，CONE测试出现了两个热释放速率峰(分别降低了64.9%和36.9%)，两个峰的出现与CONE的测试原理有关，第一放热峰对应于试样被点燃时的短暂有焰燃烧过程，之后样品快速成炭热量降低，待热量进一步传递至内部基体材料后再次点燃后释放热量[10]。

图2 试样HRR、THR和FIGRA的变化曲线Fig. 2 Curves of heat release rate, total heat release and combustion growth rate index of samples

图3 试样在火传播试验中烟囱温度的变化曲线Fig. 3 Curves of stack temperature in fire propagation test

表2 3种测试方法中的重要燃烧性能参数对比Table 2 Comparison table of important combustion parameters in three testing methods

综合图2和图3，并通过比对3种测试方法的释热规律(表2中THR600s和温升峰值)发现，相比于PB, FRPB的THR600s(SBI)和THR600s(CONE)分别降低了77.9%和42.1%，FP测试中600 s内的温升降低了27.09%。此外，从图2、图3可知，FP的温升变化规律与THR基本一致，说明刨花板燃烧对周边环境的温度变化与刨花板燃烧的放热量有着紧密的联系[11]。试验结果表明，FRPB的释热规律在3种测试方法中的趋势一致。

以上3种测试方法的结果表明，采用磷杂菲气相阻燃剂和聚磷酸铵/三聚氰胺凝聚相阻燃体系制备的阻燃刨花板燃烧性能得到大幅提升。在表层添加在磷杂菲气相阻燃剂，使木质材料热降解生成可燃性挥发组分的速率降低，延缓了火焰的快速蔓延，同时降低了热释放速率和温升；在芯层中添加凝聚相阻燃剂，促进木质材料的脱水炭化，表面形成致密程度较高的炭化层，阻隔了热量向基材内部快速传递，从而使阻燃刨花板的总热释放量和热释放速率大幅度降低[12-13]。

2.2 3种测试方法产烟规律的综合对比

2.2.1 产烟速率及产烟量

SMOGRA(SBI)(烟气的生成速率指数)和TSP600S(SBI)(试样受火于主燃烧器最初600 s内的总产烟量)是国家标准GB 8624—2012中材料产烟特性等级评价的重要参数指标。为与SBI试验结果进行对比，本研究定义了锥形量热仪试验的TSR600s(CONE)，而根据RSR曲线可以绘制出材料燃烧的SMOGRA曲线。试样在SBI和CONE测试中的产烟速率[SPR(SBI)(a)和RSR(CONE)(d)]、产烟总量[TSP(SBI)(b)和TSR(CONE)(e)]、烟气生成速率指数[SMOGRA(SBI)(c)和SMOGRA(CONE)(f)]变化曲线见如图4。

图4 试样产烟速率、产烟总量、烟气生成速率指数变化曲线Fig. 4 Curves of smoke production rate, total smoke production and smoke production rate index of samples

SBI的测试结果表明，与PB相比，FRPB的SMOGRA(SBI)、TSP600s(SBI)分别降低了8.3%和升高了17.9%。而通过与CONE测试结果对比发现，SMOGRA(CONE)和TSR(CONE)的降低幅度明显优于SBI测试，分别降低了26.3%和82.7%。通过对比FRPB和PB的烟气生成速率(SPR(SBI)和RSR(CONE))发现，FRPB在370～640 s内的SPR(SBI)要高于PB，而相同的规律也出现在CONE测试中的10～40 s范围内。这因为表层添加的磷杂菲气相阻燃剂在燃烧初期通过阻燃剂自身分解产生挥发性组分，主要以产烟的方式带走热量。随着火焰蔓延到芯层聚磷酸铵/三聚氰胺凝聚相阻燃体系开始发挥作用，此时FRPB的SPR(SBI)和RSR(CONE)与PB相比会降低。SBI和CONE测试结果均表明，分层阻燃体系的添加显著提高了刨花板的抑烟性能。烟气生成速率在两种测试过程初期表现一致，而产烟总量与产烟指数差异较大。这主要与测试燃烧环境的变化有关(SBI测试表面不充分燃烧，而CONE测试完全充分燃烧)。

2.2.2 CO生成速率

在火灾中，由燃烧产生的CO致死的人数占死亡总人数的40%以上[14-15]，分析其生成规律对材料阻燃具有重要意义。试样通过CONE、FP测试的CO生成速率变化曲线见图5。

图5 试样CO生成速率变化曲线Fig. 5 Curves of CO production rate of samples

通过CONE测试，FRPB的CO生成速率略高于PB(图5a )，这主要归因于阻燃刨花板无明火情况下的阴燃现象。而对比FP测试曲线(图5b)发现，FRPB的CO生成速率大幅低于PB，这主要是因为FP测试的持续明火使得CO完全燃烧转变为CO2，从而降低了CO的生成速率。上述结果与表1中CONE和FP的测试原理相呼应。

2.3 残炭形貌对比分析

PB和FRPB在FP、SBI和CONE测试后的实物及残炭对比图分别如图6所示。图6A-2、B-2、C-2为PB在FP、SBI和CONE测试后的实物图，图中残炭均呈现不同程度的灰白色，说明样品燃烧较完全，其中CONE测试(图6C-2)的样品已完全燃烧，这与CONE测试中烟气生成速率降低幅度最大的规律保持一致。图6A-3、B-3、C-3为FRPB在FP、SBI和CONE测试后的实物图，残炭颜色为深黑色，炭层厚实且有一定强度。从SEM图可以看出，图6A-1、B-1、C-1均呈现疏松多孔的炭层形貌，炭层品质较差；而图6A-4、B-4、C-4的炭层均为致密结构，具有较好的隔热隔氧功能，在燃烧中阻止火焰蔓延，发挥了阻燃作用。

注：1, 2分别为PB燃烧后的残炭及SEM；3, 4分别为FRPB燃烧后的残炭及SEM。图6 试样在FP(A)、SBI(B)和CONE(C)测试后的实物及残炭对比图Fig. 6 Comparison of char morphology after FP (A), SBI (B) and CONE (C) tests

3 结 论

1)在本试验条件下，与PB相比较，FRPB的HRR、THR和FIGRA、S值均降低，SPR、TSP和SMOGRA也均降低，提高了阻燃性和抑烟性。

2)在本试验条件下，相比于PB，FRPB(达到国家标准GB 8624—2012中B1-B级要求)在3种测试方法中的热释放量降低趋势分别为：THR600s(SBI)降低了77.9%，THR600s(CONE)降低了42.1%，FP测试的平均温升峰值降低了4.2%；燃烧指数的降低趋势为：FIGRA0.2MJ(SBI)降低了75.5%，FIGRA0.2MJ(CONE)降低了72.5%；S值降低了91.1%。试验结果可为阻燃刨花板的燃烧性能等级评定提供一种经验参考值。

3)本研究通过对SBI、CONE和FP测试中燃烧指数、产烟规律及炭层形貌的对比分析，为进一步完善阻燃刨花板的燃烧机理和性能评价体系奠定基础。后续研究将继续开展不同类型、阻燃等级的木质材料对比测试，旨在为阻燃木质材料的相关研究者以及企业生产提供参考。