摘 要： 開發(fā)由聚磷酸銨 (APP) 、季戊四醇 (PER) 和三聚氰胺脲醛 (MUF) 樹脂合成的表面涂布型氨基阻燃樹脂, 并將其應(yīng)用于中密度纖維板的阻燃處理, 探討樹脂體系的構(gòu)成及涂布量對(duì)板材阻燃性能的影響。研究表明:1) 氨基樹脂受熱形成膨脹炭質(zhì)層, 可阻礙熱量和氧氣傳遞, 延長(zhǎng)引燃時(shí)間, 釋熱速率、釋熱總量大幅降低;2) 隨阻燃劑比例和樹脂涂布量增加, 板材的阻燃能力逐漸增高;3) 處理15 mm厚MDF, 每m3板材阻燃劑的涂布量?jī)H為傳統(tǒng)施膠過程添加阻燃劑用量的1/6, 處理板材的火勢(shì)增長(zhǎng)指數(shù)FGI下降94.7%, 在抑制火勢(shì)擴(kuò)大和蔓延速度方面更具優(yōu)勢(shì)。
目前, 人造板阻燃處理主要采用混合、浸注處理等工藝方法[1]。具體而言, 阻燃刨花板和纖維板的制備, 是在刨花、纖維施膠階段引入阻燃劑[2-3];阻燃膠合板、阻燃細(xì)木工板的生產(chǎn), 則先進(jìn)行單板或木條的浸注處理, 再經(jīng)過干燥、涂膠、熱壓等工序;還有將半成品材料進(jìn)行真空加壓浸注處理的方法[4]。但這些生產(chǎn)方法均存在弊端。如阻燃劑在材料中過度分散而使阻燃效力降低, 一般只能以增加阻燃劑用量來保證阻燃效果[5], 而引入大量阻燃劑對(duì)板材的物理力學(xué)性能有負(fù)面影響;浸注法還增加了干燥工序, 導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長(zhǎng), 效率下降, 投入增加。
氨基樹脂本身具有大量的叔氮結(jié)構(gòu), 是膨脹型阻燃體系中性能優(yōu)異的大分子氣源, 與聚磷酸銨復(fù)配具有較好的阻燃性能[6]。為此, 筆者提出以氨基樹脂與聚磷酸銨復(fù)配阻燃氨基樹脂, 在木質(zhì)材料表面直接涂布, 構(gòu)筑阻燃層的方案, 在保證阻燃效果的同時(shí), 簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝。本文重點(diǎn)探討阻燃氨基樹脂體系的配比及涂布量對(duì)中密度纖維板阻燃效果的影響, 旨為木質(zhì)材料阻燃工藝的優(yōu)化、降低成本提供新徑。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
1) 三聚氰胺脲醛樹脂 (MUF) 參照文獻(xiàn)[7]自制, 樹脂黏度為27 s (涂-4, 25℃) , 固體含量為55%, p H值8.0。
2) 膨脹型阻燃劑 (Inrumescent flame retardant, IFR) 主要成分為:聚磷酸銨 (APP) 、季戊四醇 (PER) 等。
3) 中密度纖維板
(1) 素板 (MDF-C) , 外購(gòu), 密度0.6 g/cm, 厚度15 mm, 未進(jìn)行阻燃處理。
(2) 阻燃中纖板 (MDF-FR1) , 外購(gòu), 以施膠過程中添加阻燃劑方式制備, 密度0.6~0.8 g/cm, 厚度15 mm。阻燃劑為磷酸銨鹽類, 添加量約50 kg/m。經(jīng)檢測(cè), 其燃燒性能達(dá)到GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》的B1難燃等級(jí)。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 阻燃氨基樹脂體系 (IFR-MUF) 的配制
已有研究表明, 聚磷酸銨/季戊四醇/三聚氰胺體系中, 三種物質(zhì)對(duì)膨脹炭質(zhì)層的膨脹高度、蜂窩結(jié)構(gòu)、致密性以及炭質(zhì)層的強(qiáng)度等有重要影響[8-10], 其中聚磷酸銨APP和季戊四醇PER分別發(fā)揮脫水劑和成碳劑的功效, 是構(gòu)成阻燃氨基樹脂體系的核心物質(zhì)。因此, 本試驗(yàn)分兩步進(jìn)行。
1) 阻燃劑 (IFR) 的配制。
根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果, APP與PER的質(zhì)量比設(shè)計(jì)了六個(gè)水平, 分別為1.0、1.5、2.0、3.0、3.5和4.0;不同配比的IFR阻燃劑與MUF樹脂, 按質(zhì)量比50∶100混合, 用于MDF表面涂布。通過測(cè)定和比較板材的燃燒性能, 確定較優(yōu)的阻燃劑組成。
2) IFR阻燃劑與MUF樹脂的配比。
以APP與PER較優(yōu)質(zhì)量比配制的IFR阻燃劑, 與MUF樹脂按質(zhì)量比50∶100、80∶100、100∶100和120∶100四個(gè)水平, 分別制備阻燃氨基樹脂 (IFR-MUF) 。通過比較分析不同樹脂處理MDF的燃燒性能, 確定IFR與MUF的較佳配比。
1.2.2 阻燃氨基樹脂的涂布工藝
利用涂布棒, 將配制好的阻燃氨基樹脂均勻涂布在幅面為100 mm×100 mm的MDF素板表面, 用稱量法調(diào)節(jié)涂膠量。
根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果, 設(shè)定涂布量為200、250、400 g/m。涂布完畢后, 板材在室溫下放置24 h, 待其自然干燥后, 進(jìn)行阻燃性能測(cè)試。
1.3 性能測(cè)試
采用錐形量熱儀, 按ISO 5660-1“Reaction-to-fire test—Heat release, smoke production and mass loss rate—Part 1:heat release rate (cone calorimeter method) ”, 實(shí)時(shí)檢測(cè)樣品的熱釋放速率等參數(shù)。
試樣幅面尺寸100 mm×100 mm, 每個(gè)樣品重復(fù)3次;熱源輻射強(qiáng)度50 k W/m。
2 結(jié)果與分析
2.1 阻燃氨基樹脂體系對(duì)阻燃效果的影響
2.1.1 阻燃劑APP/PER的配比
APP與PER按不同質(zhì)量比制備的樹脂用于涂布MDF, 試樣的熱釋放速率 (HRR) 、熱釋放總量 (THR) 和質(zhì)量損失率 (ML) 等測(cè)試結(jié)果見圖1和表1。
綜合圖1和表1結(jié)果可知, 在本試驗(yàn)條件下, 在400 s內(nèi), MDF各試樣的釋熱總量THR差異不大;400 s后出現(xiàn)差異, 即隨著APP/PER質(zhì)量比的增加, THR與ML均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)锳PP量少時(shí), 分解產(chǎn)生的酸源不足, 成炭量小, 炭質(zhì)層膨脹性不良, 隔熱效果差, 對(duì)基材的保護(hù)作用也差[11];而PER量少時(shí), 不能提供充足的炭源, 炭質(zhì)層膨脹性也變差, 在炭質(zhì)層中央易出現(xiàn)裂紋, 使隔熱效果變差;但PER過多, 形成的炭質(zhì)層結(jié)構(gòu)密實(shí), 導(dǎo)熱率反而提高, 隔熱效果也會(huì)變差[9]。在APP與PER質(zhì)量比為2.0時(shí), 兩者達(dá)到了較好的匹配效果, MDF試樣的HRR與THR均處于較低水平。
圖1 APP/PER質(zhì)量比對(duì)MDF試樣釋熱速率和總量的影響
表1 APP/PER質(zhì)量比對(duì)MDF試樣釋熱和質(zhì)量損失的影響
2.1.2 IFR阻燃劑與MUF樹脂的配比
選用APP與PER以質(zhì)量比2.0配制的阻燃劑IFR, 與MUF樹脂以不同質(zhì)量比配制阻燃樹脂, 處理MDF試樣的釋熱和質(zhì)量損失測(cè)試結(jié)果列于表2。
表2 IFR/MUF質(zhì)量比對(duì)MDF試樣釋熱和質(zhì)量損失的影響
表2顯示, 隨著樹脂體系中阻燃劑IFR比例的增加, MDF試樣的釋熱速率峰值pk HRR、釋熱總量THR均降低, 而質(zhì)量損失率ML的變化較小。
當(dāng)體系中IFR與MUF質(zhì)量比由50∶100增加到80∶100時(shí), 體系的阻燃作用變化并不明顯;當(dāng)比例達(dá)到100∶100時(shí), MDF試樣的pk HRR與THR均明顯降低, 尤其當(dāng)比例增加到120∶100時(shí), 600 s內(nèi)試樣的THR降低了約60%, 為6 MJ/m左右。表明隨著阻燃劑用量的增加, 樹脂體系阻燃效果的持久性逐步提高。但是, 過高的阻燃劑比例對(duì)膠合性能有不利影響, 在前期研究中已經(jīng)得到證明[12]。
2.2 阻燃氨基樹脂 (IFR-MUF) 的涂布量
阻燃氨基樹脂的涂布量對(duì)炭質(zhì)層膨脹高度具有決定性作用, 也是影響阻燃效果的關(guān)鍵所在。
選定APP與PER質(zhì)量比2.0、IFR與MUF質(zhì)量比50∶100配制的阻燃樹脂 (IFR-MUF) , 在不同涂布量下處理MDF。試樣的釋熱、引燃時(shí)間 (TTI) 、質(zhì)量損失的情況, 見圖2與表3。
由圖2與表3可知, 當(dāng)涂布量為200 g/m時(shí), 體系膨脹形成炭質(zhì)層, 表現(xiàn)為MDF釋熱速率較低;當(dāng)加熱到173 s時(shí) (表3) , 材料被引燃并形成釋熱峰, 峰值100 k W/m左右。隨著涂布量的增加, 引燃時(shí)間逐漸延長(zhǎng), 釋熱速率峰逐漸消失, 釋熱速率曲線逐漸變成一條幾乎與橫坐標(biāo)軸相平行的直線。
觀察炭質(zhì)層膨脹狀態(tài)發(fā)現(xiàn), 涂布量為200 g/m時(shí), 雖有膨脹層形成, 但膨脹高度不足以抵擋外界熱源的作用, 170 s之后膨脹層裂開并從開裂處被引燃, 火勢(shì)逐漸壯大;當(dāng)涂布量增加到250 g/m時(shí), 形成的膨脹層較高, 隔熱能力提高, 250 s時(shí)才從膨脹層開裂處引燃, 且火勢(shì)較小;當(dāng)涂布量繼續(xù)增到400 g/m時(shí), 膨脹層高度大幅度提高, 隔熱隔氧能力也提升, 表現(xiàn)為引燃時(shí)間近10 min, 且10 min內(nèi)的釋熱總量降低到3.0 MJ/m, 質(zhì)量損失不足20%。
圖2 涂布量對(duì)MDF熱釋放速率和釋熱總量的影響
表3 不同涂布量MDF試樣的燃燒性能
2.3 不同阻燃處理方式的阻燃效果
按APP與PER質(zhì)量比2.0、IFR與MUF質(zhì)量比60∶100配制氨基阻燃樹脂 (IFR-MUF) , 以300 g/m涂布于MDF表面, 制備阻燃試樣MDF-T, 并與對(duì)照素板MDF-C及外購(gòu)阻燃試樣MDF-FR1進(jìn)行燃燒性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比, 結(jié)果見圖3和表4。
圖3顯示了材料受熱初期的平均HRR。在60、180、300 s內(nèi), MDF-T的平均HRR比MDF-C分別降低85%、73%、74%, 比MDF-FR1分別降低34%、36%、37%, 且此時(shí)每mMDF-T的阻燃劑用量?jī)H為MDF-FR1的1/6。有研究表明, 180 s內(nèi)的平均HRR與室內(nèi)火災(zāi)初期的釋熱速率數(shù)據(jù)有很好的相關(guān)性[13-15], 因此, 采用表面涂布氨基樹脂的處理方式, 可以有效降低MDF受熱初期的釋熱速率, 對(duì)降低火災(zāi)危害具有積很意義。
圖3 不同試樣的熱釋放速率和釋熱總量
表4 不同試樣燃燒性能的比較
由表4可知, 對(duì)照MDF-C和MDF-FR1樣板的引燃時(shí)間分別為32.2、17.2 s, 而MDF-T的引燃時(shí)間延長(zhǎng)至185 s, 比MDF-C和MDF-FR1分別延長(zhǎng)了5.7、11倍。
另外, 氨基阻燃樹脂的涂布還大幅降低了釋熱速率峰值pk HRR和火勢(shì)增長(zhǎng)指數(shù)FGI[15]。相對(duì)于MDF-C和MDF-FR1, MDF-T的pk HRR分別降低了76%、62.7%, FGI減小了96.7%、94.7%, 火勢(shì)蔓延的危害程度大幅降低。
在燃燒試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), MDF-FR1引燃后形成的火焰迅速分布在樣品的整個(gè)表面, 釋熱速率較高;而MDF-T的引燃僅發(fā)生在涂層開裂的某一部位 (多數(shù)發(fā)生在樣品邊緣) , 并未迅速蔓延至整個(gè)表面。其原因就是表面的阻燃樹脂受熱形成了膨脹炭質(zhì)層, 阻礙了外界熱量和氧氣向材料內(nèi)部的傳遞, 從而有效地抑制了木材的熱分解, 及火勢(shì)在材料表面的蔓延擴(kuò)展。
表4中還列出各試樣受熱600s內(nèi)的質(zhì)量損失率 (ML) 和各時(shí)間段內(nèi)的釋熱總量 (THR) , 均以MDF-T較低, MDF-FR1次之, MDF-C較高。由此說明, 雖然阻燃氨基樹脂只存在于MDF表面, 但其形成的膨脹炭質(zhì)層有效地抑制了木材的熱分解, 減少質(zhì)量損失, 降低燃燒釋放的熱量, 而且時(shí)間越長(zhǎng)效果越明顯。這種作用效果是阻燃氨基樹脂作用機(jī)理與表面涂布方式有機(jī)結(jié)合的結(jié)果, 對(duì)抑制火勢(shì)擴(kuò)大和火災(zāi)的蔓延速度具有重要作用。
3 結(jié)論
1) 當(dāng)APP/PER質(zhì)量比為2.0時(shí), 阻燃樹脂體系 (IFR-MUF) 的阻燃效果較佳。隨著體系中阻燃劑IFR的比例增加, 處理板材的釋熱等阻燃指標(biāo)明顯下降, 但考慮對(duì)膠合性能的影響, 阻燃劑IFR的添加比例應(yīng)適中。
2) 隨著氨基阻燃樹脂IFR-MUF在MDF表面涂布量的增加, 板材在燃燒過程中形成炭質(zhì)層膨脹高度逐漸增加, 引燃時(shí)間逐漸延長(zhǎng), 熱釋放總量降低。
3) 在本研究條件下, 采用表面涂布型阻燃樹脂處理15 mm厚MDF, 每阻燃劑的用量?jī)H為傳統(tǒng)施膠過程添加阻燃劑工藝的1/6, 引燃時(shí)間可延長(zhǎng)10倍左右, 較大限度發(fā)揮了阻燃劑的作用。實(shí)際應(yīng)用過程中, 應(yīng)根據(jù)所要求的阻燃等級(jí)以及應(yīng)用場(chǎng)合, 選擇適宜的涂布量。
參考文獻(xiàn)
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摘 要： 開發(fā)由聚磷酸銨 (APP) 、季戊四醇 (PER) 和三聚氰胺脲醛 (MUF) 樹脂合成的表面涂布型氨基阻燃樹脂, 并將其應(yīng)用于中密度纖維板的阻燃處理, 探討樹脂體系的構(gòu)成及涂布量對(duì)板材阻燃性能的影響。研究表明:1) 氨基樹脂受熱形成膨脹炭質(zhì)層, 可阻礙熱量和氧氣傳遞, 延長(zhǎng)引燃時(shí)間, 釋熱速率、釋熱總量大幅降低;2) 隨阻燃劑比例和樹脂涂布量增加, 板材的阻燃能力逐漸增高;3) 處理15 mm厚MDF, 每m3板材阻燃劑的涂布量?jī)H為傳統(tǒng)施膠過程添加阻燃劑用量的1/6, 處理板材的火勢(shì)增長(zhǎng)指數(shù)FGI下降94.7%, 在抑制火勢(shì)擴(kuò)大和蔓延速度方面更具優(yōu)勢(shì)。
目前, 人造板阻燃處理主要采用混合、浸注處理等工藝方法[1]。具體而言, 阻燃刨花板和纖維板的制備, 是在刨花、纖維施膠階段引入阻燃劑[2-3];阻燃膠合板、阻燃細(xì)木工板的生產(chǎn), 則先進(jìn)行單板或木條的浸注處理, 再經(jīng)過干燥、涂膠、熱壓等工序;還有將半成品材料進(jìn)行真空加壓浸注處理的方法[4]。但這些生產(chǎn)方法均存在弊端。如阻燃劑在材料中過度分散而使阻燃效力降低, 一般只能以增加阻燃劑用量來保證阻燃效果[5], 而引入大量阻燃劑對(duì)板材的物理力學(xué)性能有負(fù)面影響;浸注法還增加了干燥工序, 導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長(zhǎng), 效率下降, 投入增加。
氨基樹脂本身具有大量的叔氮結(jié)構(gòu), 是膨脹型阻燃體系中性能優(yōu)異的大分子氣源, 與聚磷酸銨復(fù)配具有較好的阻燃性能[6]。為此, 筆者提出以氨基樹脂與聚磷酸銨復(fù)配阻燃氨基樹脂, 在木質(zhì)材料表面直接涂布, 構(gòu)筑阻燃層的方案, 在保證阻燃效果的同時(shí), 簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝。本文重點(diǎn)探討阻燃氨基樹脂體系的配比及涂布量對(duì)中密度纖維板阻燃效果的影響, 旨為木質(zhì)材料阻燃工藝的優(yōu)化、降低成本提供新徑。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
1) 三聚氰胺脲醛樹脂 (MUF) 參照文獻(xiàn)[7]自制, 樹脂黏度為27 s (涂-4, 25℃) , 固體含量為55%, p H值8.0。
2) 膨脹型阻燃劑 (Inrumescent flame retardant, IFR) 主要成分為:聚磷酸銨 (APP) 、季戊四醇 (PER) 等。
3) 中密度纖維板
(1) 素板 (MDF-C) , 外購(gòu), 密度0.6 g/cm, 厚度15 mm, 未進(jìn)行阻燃處理。
(2) 阻燃中纖板 (MDF-FR1) , 外購(gòu), 以施膠過程中添加阻燃劑方式制備, 密度0.6~0.8 g/cm, 厚度15 mm。阻燃劑為磷酸銨鹽類, 添加量約50 kg/m。經(jīng)檢測(cè), 其燃燒性能達(dá)到GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》的B1難燃等級(jí)。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 阻燃氨基樹脂體系 (IFR-MUF) 的配制
已有研究表明, 聚磷酸銨/季戊四醇/三聚氰胺體系中, 三種物質(zhì)對(duì)膨脹炭質(zhì)層的膨脹高度、蜂窩結(jié)構(gòu)、致密性以及炭質(zhì)層的強(qiáng)度等有重要影響[8-10], 其中聚磷酸銨APP和季戊四醇PER分別發(fā)揮脫水劑和成碳劑的功效, 是構(gòu)成阻燃氨基樹脂體系的核心物質(zhì)。因此, 本試驗(yàn)分兩步進(jìn)行。
1) 阻燃劑 (IFR) 的配制。
根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果, APP與PER的質(zhì)量比設(shè)計(jì)了六個(gè)水平, 分別為1.0、1.5、2.0、3.0、3.5和4.0;不同配比的IFR阻燃劑與MUF樹脂, 按質(zhì)量比50∶100混合, 用于MDF表面涂布。通過測(cè)定和比較板材的燃燒性能, 確定較優(yōu)的阻燃劑組成。
2) IFR阻燃劑與MUF樹脂的配比。
以APP與PER較優(yōu)質(zhì)量比配制的IFR阻燃劑, 與MUF樹脂按質(zhì)量比50∶100、80∶100、100∶100和120∶100四個(gè)水平, 分別制備阻燃氨基樹脂 (IFR-MUF) 。通過比較分析不同樹脂處理MDF的燃燒性能, 確定IFR與MUF的較佳配比。
1.2.2 阻燃氨基樹脂的涂布工藝
利用涂布棒, 將配制好的阻燃氨基樹脂均勻涂布在幅面為100 mm×100 mm的MDF素板表面, 用稱量法調(diào)節(jié)涂膠量。
根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果, 設(shè)定涂布量為200、250、400 g/m。涂布完畢后, 板材在室溫下放置24 h, 待其自然干燥后, 進(jìn)行阻燃性能測(cè)試。
1.3 性能測(cè)試
采用錐形量熱儀, 按ISO 5660-1“Reaction-to-fire test—Heat release, smoke production and mass loss rate—Part 1:heat release rate (cone calorimeter method) ”, 實(shí)時(shí)檢測(cè)樣品的熱釋放速率等參數(shù)。
試樣幅面尺寸100 mm×100 mm, 每個(gè)樣品重復(fù)3次;熱源輻射強(qiáng)度50 k W/m。
2 結(jié)果與分析
2.1 阻燃氨基樹脂體系對(duì)阻燃效果的影響
2.1.1 阻燃劑APP/PER的配比
APP與PER按不同質(zhì)量比制備的樹脂用于涂布MDF, 試樣的熱釋放速率 (HRR) 、熱釋放總量 (THR) 和質(zhì)量損失率 (ML) 等測(cè)試結(jié)果見圖1和表1。
綜合圖1和表1結(jié)果可知, 在本試驗(yàn)條件下, 在400 s內(nèi), MDF各試樣的釋熱總量THR差異不大;400 s后出現(xiàn)差異, 即隨著APP/PER質(zhì)量比的增加, THR與ML均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)锳PP量少時(shí), 分解產(chǎn)生的酸源不足, 成炭量小, 炭質(zhì)層膨脹性不良, 隔熱效果差, 對(duì)基材的保護(hù)作用也差[11];而PER量少時(shí), 不能提供充足的炭源, 炭質(zhì)層膨脹性也變差, 在炭質(zhì)層中央易出現(xiàn)裂紋, 使隔熱效果變差;但PER過多, 形成的炭質(zhì)層結(jié)構(gòu)密實(shí), 導(dǎo)熱率反而提高, 隔熱效果也會(huì)變差[9]。在APP與PER質(zhì)量比為2.0時(shí), 兩者達(dá)到了較好的匹配效果, MDF試樣的HRR與THR均處于較低水平。
圖1 APP/PER質(zhì)量比對(duì)MDF試樣釋熱速率和總量的影響
表1 APP/PER質(zhì)量比對(duì)MDF試樣釋熱和質(zhì)量損失的影響
2.1.2 IFR阻燃劑與MUF樹脂的配比
選用APP與PER以質(zhì)量比2.0配制的阻燃劑IFR, 與MUF樹脂以不同質(zhì)量比配制阻燃樹脂, 處理MDF試樣的釋熱和質(zhì)量損失測(cè)試結(jié)果列于表2。
表2 IFR/MUF質(zhì)量比對(duì)MDF試樣釋熱和質(zhì)量損失的影響
表2顯示, 隨著樹脂體系中阻燃劑IFR比例的增加, MDF試樣的釋熱速率峰值pk HRR、釋熱總量THR均降低, 而質(zhì)量損失率ML的變化較小。
當(dāng)體系中IFR與MUF質(zhì)量比由50∶100增加到80∶100時(shí), 體系的阻燃作用變化并不明顯;當(dāng)比例達(dá)到100∶100時(shí), MDF試樣的pk HRR與THR均明顯降低, 尤其當(dāng)比例增加到120∶100時(shí), 600 s內(nèi)試樣的THR降低了約60%, 為6 MJ/m左右。表明隨著阻燃劑用量的增加, 樹脂體系阻燃效果的持久性逐步提高。但是, 過高的阻燃劑比例對(duì)膠合性能有不利影響, 在前期研究中已經(jīng)得到證明[12]。
2.2 阻燃氨基樹脂 (IFR-MUF) 的涂布量
阻燃氨基樹脂的涂布量對(duì)炭質(zhì)層膨脹高度具有決定性作用, 也是影響阻燃效果的關(guān)鍵所在。
選定APP與PER質(zhì)量比2.0、IFR與MUF質(zhì)量比50∶100配制的阻燃樹脂 (IFR-MUF) , 在不同涂布量下處理MDF。試樣的釋熱、引燃時(shí)間 (TTI) 、質(zhì)量損失的情況, 見圖2與表3。
由圖2與表3可知, 當(dāng)涂布量為200 g/m時(shí), 體系膨脹形成炭質(zhì)層, 表現(xiàn)為MDF釋熱速率較低;當(dāng)加熱到173 s時(shí) (表3) , 材料被引燃并形成釋熱峰, 峰值100 k W/m左右。隨著涂布量的增加, 引燃時(shí)間逐漸延長(zhǎng), 釋熱速率峰逐漸消失, 釋熱速率曲線逐漸變成一條幾乎與橫坐標(biāo)軸相平行的直線。
觀察炭質(zhì)層膨脹狀態(tài)發(fā)現(xiàn), 涂布量為200 g/m時(shí), 雖有膨脹層形成, 但膨脹高度不足以抵擋外界熱源的作用, 170 s之后膨脹層裂開并從開裂處被引燃, 火勢(shì)逐漸壯大;當(dāng)涂布量增加到250 g/m時(shí), 形成的膨脹層較高, 隔熱能力提高, 250 s時(shí)才從膨脹層開裂處引燃, 且火勢(shì)較小;當(dāng)涂布量繼續(xù)增到400 g/m時(shí), 膨脹層高度大幅度提高, 隔熱隔氧能力也提升, 表現(xiàn)為引燃時(shí)間近10 min, 且10 min內(nèi)的釋熱總量降低到3.0 MJ/m, 質(zhì)量損失不足20%。
圖2 涂布量對(duì)MDF熱釋放速率和釋熱總量的影響
表3 不同涂布量MDF試樣的燃燒性能
2.3 不同阻燃處理方式的阻燃效果
按APP與PER質(zhì)量比2.0、IFR與MUF質(zhì)量比60∶100配制氨基阻燃樹脂 (IFR-MUF) , 以300 g/m涂布于MDF表面, 制備阻燃試樣MDF-T, 并與對(duì)照素板MDF-C及外購(gòu)阻燃試樣MDF-FR1進(jìn)行燃燒性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比, 結(jié)果見圖3和表4。
圖3顯示了材料受熱初期的平均HRR。在60、180、300 s內(nèi), MDF-T的平均HRR比MDF-C分別降低85%、73%、74%, 比MDF-FR1分別降低34%、36%、37%, 且此時(shí)每mMDF-T的阻燃劑用量?jī)H為MDF-FR1的1/6。有研究表明, 180 s內(nèi)的平均HRR與室內(nèi)火災(zāi)初期的釋熱速率數(shù)據(jù)有很好的相關(guān)性[13-15], 因此, 采用表面涂布氨基樹脂的處理方式, 可以有效降低MDF受熱初期的釋熱速率, 對(duì)降低火災(zāi)危害具有積極意義。
圖3 不同試樣的熱釋放速率和釋熱總量
表4 不同試樣燃燒性能的比較
由表4可知, 對(duì)照MDF-C和MDF-FR1樣板的引燃時(shí)間分別為32.2、17.2 s, 而MDF-T的引燃時(shí)間延長(zhǎng)至185 s, 比MDF-C和MDF-FR1分別延長(zhǎng)了5.7、11倍。
另外, 氨基阻燃樹脂的涂布還大幅降低了釋熱速率峰值pk HRR和火勢(shì)增長(zhǎng)指數(shù)FGI[15]。相對(duì)于MDF-C和MDF-FR1, MDF-T的pk HRR分別降低了76%、62.7%, FGI減小了96.7%、94.7%, 火勢(shì)蔓延的危害程度大幅降低。
在燃燒試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), MDF-FR1引燃后形成的火焰迅速分布在樣品的整個(gè)表面, 釋熱速率較高;而MDF-T的引燃僅發(fā)生在涂層開裂的某一部位 (多數(shù)發(fā)生在樣品邊緣) , 并未迅速蔓延至整個(gè)表面。其原因就是表面的阻燃樹脂受熱形成了膨脹炭質(zhì)層, 阻礙了外界熱量和氧氣向材料內(nèi)部的傳遞, 從而有效地抑制了木材的熱分解, 及火勢(shì)在材料表面的蔓延擴(kuò)展。
表4中還列出各試樣受熱600s內(nèi)的質(zhì)量損失率 (ML) 和各時(shí)間段內(nèi)的釋熱總量 (THR) , 均以MDF-T最低, MDF-FR1次之, MDF-C最高。由此說明, 雖然阻燃氨基樹脂只存在于MDF表面, 但其形成的膨脹炭質(zhì)層有效地抑制了木材的熱分解, 減少質(zhì)量損失, 降低燃燒釋放的熱量, 而且時(shí)間越長(zhǎng)效果越明顯。這種作用效果是阻燃氨基樹脂作用機(jī)理與表面涂布方式有機(jī)結(jié)合的結(jié)果, 對(duì)抑制火勢(shì)擴(kuò)大和火災(zāi)的蔓延速度具有重要作用。
3 結(jié)論
1) 當(dāng)APP/PER質(zhì)量比為2.0時(shí), 阻燃樹脂體系 (IFR-MUF) 的阻燃效果最佳。隨著體系中阻燃劑IFR的比例增加, 處理板材的釋熱等阻燃指標(biāo)明顯下降, 但考慮對(duì)膠合性能的影響, 阻燃劑IFR的添加比例應(yīng)適中。
2) 隨著氨基阻燃樹脂IFR-MUF在MDF表面涂布量的增加, 板材在燃燒過程中形成炭質(zhì)層膨脹高度逐漸增加, 引燃時(shí)間逐漸延長(zhǎng), 熱釋放總量降低。
3) 在本研究條件下, 采用表面涂布型阻燃樹脂處理15 mm厚MDF, 每阻燃劑的用量?jī)H為傳統(tǒng)施膠過程添加阻燃劑工藝的1/6, 引燃時(shí)間可延長(zhǎng)10倍左右, 最大限度發(fā)揮了阻燃劑的作用。實(shí)際應(yīng)用過程中, 應(yīng)根據(jù)所要求的阻燃等級(jí)以及應(yīng)用場(chǎng)合, 選擇適宜的涂布量。
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