FRW饰面阻燃中纤板的CONE和力学性能分析

刘迎涛，葛 亚，陈 冲

(1.东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040；2.江苏吉福新材料股份有限公司，江苏 泗阳 223700)

人造板表面装饰加工，是人造板产品直接增加附加值的重要手段，也是保护森林资源和发展木材综合利用的具体措施。浸渍胶膜纸饰面人造板是以刨花板、纤维板等人造板为基材，以浸渍三聚氰胺等树脂的胶膜纸为饰面材料制成的人造板材，被广泛应用于家具及装饰装修等领域[1]。但人造板的易燃性给人的生命和财产带来严重的危害，据分析21%的火灾由木材等纤维材料引起，而住宅火灾70%是因木质材料缺乏难燃性而引起的[2-3]。采用阻燃制品防止人身伤害和恶性火灾事故的发生是世界各国经过多年的实践经验验证，并被证明为行之有效的防火保护措施之一，美国、日本、加拿大等国家很早就制定了相关的阻燃法规[4]。在我国，公安部于1986年颁布的《高层建筑消防管理规则》第14条明确规定，高层建筑的高级宾馆、饭店和医院病房的室内装修，应当采用非燃或难燃材料。国家标准GB 20286-2006《公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求和标识》规定公共场所使用的建筑材料和制品都必须进行阻燃处理，且阻燃处理的建筑材料和制品的燃烧性能必须满足国标GB 20286-2006中相应级别的指标要求[5]。阻燃饰面中纤板的研究与开发正是顺应了市场需求，具有重要的现实意义。

国内外学者针对阻燃中密度纤维板的阻燃性和物理力学、阻燃浸渍纸贴面人造板制备技术等进行了相关研究。Rejeesh等[6-7]以椰纤维为原料压制阻燃纤维板，研究了硼砂和硼酸组合的阻燃溶液对纤维板阻燃性能的影响。兰平等[8]采用共沉淀法制备无机氢氧化镁(MH)和氢氧化铝(ATH)复合阻燃剂，并将MH和ATH分别用于压制阻燃中密度纤维板，探讨了无机金属氢氧化物阻燃剂对中密度纤维板燃烧过程中的热释放性能、质量变化、烟释放性能和烟气毒性的影响。屈伟等[9]基于阻燃浸渍纸的制备，开展了阻燃浸渍纸贴面人造板制备技术研究。高金贵等[10]以阻燃高密度纤维板作为地板基材，开发了三聚氰胺浸渍纸层压阻燃地板。

本文选用木材阻燃剂FRW研制FRW饰面阻燃中纤板，分析了素板和FRW饰面阻燃中纤板的阻燃与力学性能，旨在为生产具有难燃级的FRW饰面阻燃中纤板提供理论依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

(1)阻燃剂。选用自主研制开发的高效木材阻燃剂FRW，该阻燃剂具有无毒、无污染、生产及处理工艺简单、对木材物理性质及加工性能影响小等特点[11-12]。

(2)普通中纤板和FRW阻燃中纤板。密度0.75 g/cm3；幅面尺寸340 mm(长)×320 mm(宽)×12 mm(厚)；压制阻燃剂施加量分别为0%、9%、11%、13%和15%的普通中纤板和FRW阻燃中纤板。

(3)FRW阻燃三聚氰胺贴面装饰纸。实验室自制；原纸重80 g/m2，FRW阻燃三聚氰胺胶浸渍量为原纸重的140%～150%；挥发物含量为6.1%；预固化度为53.7%。

1.2 普通贴面中纤板和FRW饰面阻燃中纤板的制备

以普通MDF为基材，单面复合未经阻燃处理的三聚氰胺贴面装饰纸制备普通贴面中纤板(素板)，标号0%DMDF；以阻燃剂施加量分别为9%、11%、13%和15%的FRW阻燃中纤板为基材，单面复合FRW阻燃三聚氰胺贴面装饰纸制备FRW饰面阻燃中纤板，标号分别为9%FRWDMDF、11%FRWDMDF、13%FRWDMDF和15%FRWDMDF。

1.3 FRW饰面阻燃中纤板性能的测试方法

将素板和FRW饰面阻燃中纤板锯解成尺寸为100 mm(长)×100 mm(宽)×12 mm(厚)的试样，利用日本TOYOSEIKI公司生产的CONE CALORIMET Ⅲ C3 型锥形量热仪测试阻燃性能，热辐射强度50 kW/m2，选3个试样进行CONE试验，取平均值。

素板和FRW饰面阻燃中纤板的力学性能按照国家标准GB/T 15102-2017《浸渍胶膜纸饰面纤维板和刨花板》进行测试，取平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 FRW饰面阻燃中纤板的CONE分析

由于阻燃剂施加量分别为9%、11%、13%和15%的FRW饰面阻燃中纤板的CONE曲线之间差距较小，不易分辨，本文只绘制了素板(0%DMDF)、阻燃剂施加量分别为11%和15%的FRW饰面阻燃中纤板(11%FRWDMDF和15%FRWDMDF)的CONE曲线。

2.1.1 热释放速率HRR

素板和不同阻燃剂施加量FRW饰面阻燃中纤板的主要阻燃性能参数见表1，HRR-time曲线如图1所示。

图1 素板和不同阻燃剂施加量FRW饰面阻燃中纤板的HRR

表1 素板和FRW饰面阻燃中纤板主要的阻燃性能参数

由表1可知，素板的总热释放量为68.36 MJ/m2，11% FRWDMDF为33.10 MJ/m2，15% FRWDMDF为27.33 MJ /m2，总热释放量比素板分别降低了51.58%和60.02%，FRW饰面阻燃中纤板的总热释放量比素板下降明显。木材阻燃剂FRW中的成分脒基脲磷酸盐(Guanylurea phosphate，GUP)受热分解时产生的CO2、NH3和H2O蒸汽等不燃性气体，稀释了空气中的氧气，有利于减缓气相氧化反应(燃烧)的速度，降低了热辐射强度。同时木材阻燃剂FRW中的硼酸受热后呈熔融的玻璃状物质，覆盖在板材的表面，起到隔热、隔氧的作用，降低了板材的燃烧速度和放热量。

当阻燃剂施加量增加到一定程度后，对于总热释放量的降低效果不明显。因此，从降低阻燃成本的角度考虑，应选取11%阻燃剂施加量处理FRW饰面阻燃中纤板，以达到既阻燃又节约成本的目的。

由图1可知，素板和FRW饰面阻燃中纤板的HRR曲线均具有两个放热峰，第二放热峰值比第一放热峰值小，但第二放热峰的放热量却比第一放热峰大。研究结果表明，第一放热峰对应于试样被点燃时的短暂有焰燃烧过程，第二放热峰对应于第二次出现较高火焰时的燃烧过程，因而抑制第二放热峰的放热量对FRW饰面阻燃中纤板的阻燃效果影响较大。

与素板相比，FRW饰面阻燃中纤板的平均热释放速率和第一、第二放热峰值均显著降低。素板的平均热释放速率为185.49 kW/m2，11% FRWDMDF为94.89 kW/m2，15% FRWDMDF为74.72 kW/m2，平均热释放速率比素板分别降低了48.84%和59.72%。这说明FRW饰面阻燃中纤板经阻燃剂FRW处理后，热降解生成可燃性挥发物的速度大大降低，同时降低了外界热量向板材辐射和传递的能力及速度，减缓了板材表面的热裂解速度，延缓了火焰的快速传播，相应地使板材的阻燃效果提高。

随着阻燃剂施加量的增加，FRW饰面阻燃中纤板的平均热释放速率和第一、第二放热峰值均呈现下降趋势，表明阻燃剂用量越多，FRW饰面阻燃中纤板的热释放速率越低。

2.1.2 总热释放量THR

素板和不同阻燃剂施加量FRW饰面阻燃中纤板的THR-time曲线如图2所示。

图2 素板和不同阻燃剂施加量FRW饰面阻燃中纤板的THR

由图2可知，从试样被点燃到第二放热峰峰值出现之前，总热释放量增加缓慢；当第二放热峰过后，总热释放量迅速增加，说明FRW饰面阻燃中纤板释放的热量主要由第二放热峰提供，因此抑制此阶段燃烧释放出的热量是提高FRW饰面阻燃中纤板阻燃效果的关键。

2.1.3 点燃时间TTI

点燃时间是评价材料阻燃性能的重要指标之一。点燃时间越长，说明材料越不易被点燃，材料的阻燃性能越好。由表1可知，FRW饰面阻燃中纤板的点燃时间TTI比素板有明显延长，11% FRWDMDF的点燃时间为36.3 s，15% FRWDMDF的点燃时间为37.5 s，比素板的点燃时间分别延长了17.4 s和18.6 s。这说明木材阻燃剂FRW作用于FRW饰面阻燃中纤板后，遇热时热解速率变缓，释放可燃性有机挥发气体的速度变慢，使其达到持续燃烧所需气体浓度的时间延长，FRW饰面阻燃中纤板的阻燃性能明显提高。

2.1.4 残余物质量Mass

素板和不同阻燃剂施加量FRW饰面阻燃中纤板的Mass-time曲线如图3所示。

图3 素板和不同阻燃剂施加量FRW饰面阻燃中纤板的Mass

由图3和表1可知，11% FRWDMDF的成炭率为42.92%，15% FRWDMDF的成炭率为44.08%，比素板的成炭率20.86%分别提高了105.75%和111.31%，FRW饰面阻燃中纤板的成炭率比素板提高明显。成炭率的提高和表面炭化层的迅速生成可降低外界温度向FRW饰面阻燃中纤板内部传递的速度，降低板材的热分解速度，减少可燃性挥发物的产生，从而提高了FRW饰面阻燃中纤板的阻燃效果。随着阻燃剂施加量的增加，FRW饰面阻燃中纤板的成炭率有所提高，但当阻燃剂施加量达到11%，再增加阻燃剂用量对提高成炭率作用不大。

在有焰燃烧阶段，FRW饰面阻燃中纤板的质量损失速度和总量远远高于红热燃烧阶段。因此，应尽可能减少板材在有焰燃烧阶段的质量损失量，增加在红热燃烧阶段的成炭率是提高FRW饰面阻燃中纤板阻燃性能的关键。

2.2 FRW饰面阻燃中纤板的力学性能分析

按照国家标准GB/T 15102-2017《浸渍胶膜纸饰面纤维板和刨花板》测试的素板和FRW饰面阻燃中纤板的力学性能见表2。

表2 素板和FRW饰面阻燃中纤板的力学性能

从表2可以看出，在不添加FRW阻燃剂时，素板的静曲强度为45.337 MPa，弹性模量为3 701 MPa，内结合强度为0.825 MPa，表面胶合强度为0.965 MPa，吸水厚度膨胀率为9.411%。FRW阻燃剂的加入，使FRW饰面阻燃中纤板的静曲强度、弹性模量、内结合强度和表面胶合强度有所下降，而吸水厚度膨胀率变化不大。导致FRW饰面阻燃中纤板各强度值下降的原因，很可能是由于FRW阻燃剂中含有酸性物质——硼酸，降低了胶黏剂的pH值而引起部分UF胶提前固化，从而降低了板的胶合强度。但与国家标准GB/T 15102-2017《浸渍胶膜纸饰面纤维板和刨花板》相比，FRW饰面阻燃中纤板的各项力学性能指标仍高于国家标准的规定值。

3 结论

(1)锥形量热仪(CONE)的研究结果表明，与素板相比，经FRW阻燃剂处理后的FRW饰面阻燃中纤板具有优异的阻燃效果，不仅明显地降低了板材的热释放速率和总热释放量，延长了点燃时间，而且显著促进了板材炭化。

(2)随着阻燃剂施加量的增加，FRW饰面阻燃中纤板的阻燃效果呈上升趋势。但当阻燃剂施加量提高到一定程度后，此上升趋势则不明显。从节约成本的角度考虑，选取11%阻燃剂施加量处理板材为宜。

(3)木材阻燃剂FRW可促进板材脱水炭化，受热分解时产生不燃性气体可稀释空气中的氧气，呈熔融的玻璃状物质覆盖在板材的表面，起到隔热、隔氧的作用，此优异的阻燃性能为生产具有难燃级的FRW饰面阻燃中纤板提供了有力保障。

(4)FRW饰面阻燃中纤板的各项力学性能指标达到并超过国家标准GB/T 15102-2017《浸渍胶膜纸饰面纤维板和刨花板》的要求，从而使FRW饰面阻燃中纤板在具有优异阻燃性能的同时，仍保持良好的力学特性。