阻燃中密度纤维板的制备

阻燃中密度纤维板的制备

由于中薄纤维板（中薄板）的良好物理强度和加工性能，中薄纤维板广泛应用于建筑装饰和装饰。2008年，中薄纤维板产量达到2370.52万米。根据新颁布的强制性国家标准《公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求和标识》(GB20268-2006)的相关要求,中纤板在公共场所应用时必须达到一定的阻燃级别。因此,开展阻燃中纤板的研究十分重要。提高材料的阻燃性主要通过加入阻燃剂的方法实现。阻燃剂必须能够在燃烧过程中的特定环节(加热、热解、点燃或火焰蔓延)对燃料、能量和氧气之中的任一或全部要素产生干涉作用才能产生阻燃效果。磷酸三聚氰胺(MelaminePhosphate,简称MP)属于三嗪类化合物,分子中含磷、氮,不含卤,其特点是:(1)可发生P-N协同效应,阻燃效率高;(2)热稳定性高,分解温度与木质材料热解温度相匹配;(3)水溶性极小,加入到基材后不发生吸潮、迁移等现象。笔者采用锥形量热仪,在辐射功率50kW/m2下,试验在脲醛树脂施加量7%,磷酸三聚氰胺添加量0%、3%、6%条件下中密度纤维板的燃烧性能,初步研究磷酸三聚氰胺对中密度纤维板的阻燃性能。1材料和方法1.1材料表面美国南方松木纤维;自制脲醛树脂,固含量48.9%,pH为7.03;磷酸三聚氰胺:白色超细固体粉末。1.2成型框内预压成型板坯、压板的制备将南方松木纤维置于搅拌桶中,称取0%、3%、6%(与纤维绝干质量比)的MP超细粉末撒入,开动电机,搅拌数分钟;用喷枪按7%(与纤维绝干质量比)施加脲醛树脂,继续搅拌数分钟。将混有MP粉末、施好胶的纤维放入成型框内预压制成板坯;热压时,压板温度160℃,加压时间按照30s/mm设定,选用12.7mm厚度规;板材平衡含水率后,截取边长100mm的方形试样。1.3热辐射功率的设定使用锥形量热仪,依据《对火的反应试验—热释放、产烟量及质量损失速度—第一部分:热释放速率(锥形量热仪法)》(ISO5660-1)进行试验。先按规定程序标定锥形量热仪,将热辐射功率设定为50kW/m2。用铝箔纸包裹试样(只露出上表面)。重复试样数为2,任选其中一组数据代表该状态试样的试验结果。测试的燃烧性能指标有:热释放速率、热释放总量、有效燃烧热、质量损失速率、比消光面积和引燃时间。2mp质量分数对阻燃板热释放速率的影响试样的燃烧性能测试结果见表1。2.1热释放速率热释放速度(Heatreleaserate,HRR)指单位面积试样燃烧时释放热量的速率,以kW/m2为单位,热释放速率的最大值为热释放速率峰值(pkHRR)。HRR或pkHRR越大,材料表面接收的热反馈越多,材料热解速率越快,从而产生的可燃性挥发物越多,火焰传播也越快,材料在火灾中的危险性就越大。由表1可见,添加了MP的阻燃板的热释放速率低于空白试样,热释放速率随着MP质量分数的增加而降低。当MP质量分数增至6%时,阻燃板的热释放速率降低24.1%。试样的热释放速率—时间曲线见图1。曲线在试样燃烧开始与结束阶段出现峰值,中间阶段是一个平台。分析原因:试样在被点燃后很快进入炭化阶段,此阶段纤维热分解反应最剧烈,产生的可燃性挥发物最多,发生有焰燃烧,使得热释放速率迅速达到最大值,形成第一个波峰。此后随着炭层不断向试样内部延伸,炭层隔热作用使试样内部温度上升缓慢,热释放速率减慢,曲线进入平台段。但炭层厚度有限,随着温度继续升高,炭化物也开始燃烧,放出热量,热释放速率重新上升,形成第二个波峰。通常木质材料热释放速率曲线上的第一个波峰为“陡峭”的单峰,而笔者试验中热释放速率曲线在该位置为低矮的双峰,发生分叉。分析原因为:单峰分叉现象由试样表面预固化层引起。预固化层是指干法中密度纤维板的板坯表面2～3mm的疏松层,是由于热压时板坯表层的胶黏剂在无压力条件下固化形成的。由于预固化层结构疏松,密度较芯部小,单位面积里的可燃物质量也较少,因而试样燃烧初期的热释放速率偏低,对应双峰中的第一个波峰。当燃烧穿过预固化层,接触到密度较高的内层时,试样的热释放速率升高,但由于既有炭层的隔热作用,热释放速率升高受阻,于是形成双峰的第二个波峰,分叉现象由此出现。2.2热释放总量热释放总量(Totalheatreleased,THR)指单位面积材料从开始燃烧到结束所释放的热量,以MJ/m2为单位。一般热释放总量越大,材料在火灾中的危险性就越大。由表1可见,阻燃板的热释放总量低于空白试样,热释放总量随着MP质量分数的增加而降低,当MP质量分数增至6%时,阻燃板的热释放总量降低19.8%。热释放总量—时间曲线见图2所示,热释放总量在试验初期可燃性热解产物的有焰燃烧阶段以及末期炭化产物的无焰燃烧阶段增长较快,而试验中段的增速恒定。2.3有效燃烧热有效燃烧热(Effectiveheatofcombustion,EHC)指材料燃烧时某一时刻的热释放量与损失质量之比,以MJ/kg为单位,反映了可燃性挥发物的气相燃烧程度。由表1可见,阻燃板的有效燃烧热低于空白试样,且有效燃烧热随MP质量分数的增加而降低。当MP质量分数增至6%时,阻燃板的有效燃烧热降低了15.3%,说明MP能抑制中纤板热解产生的可燃性挥发物的气相燃烧,这与MP受热分解释放出不可燃的氨气包围可燃气体,隔绝氧气有关。2.4失重速率失重速率(Masslossrate,MLR)指材料在燃烧时质量减少的速率,以g/s为单位,反映材料的热解速率。由表1可见,阻燃板的失重速率低于空白试样,并且失重速率随着MP质量分数的增加而降低;当MP质量分数增至6%时,失重速率降低了9.1%。不同MP添加量试样的残重率—时间曲线见图3。空白试样的残重率为25.3%,而添加6%MP的阻燃板的残重率上升到了32.6%,说明MP可促进纤维热解时的成炭反应。这与MP受热分解产生磷酸,催化纤维素、半纤维素脱水成炭有关。失重速率曲线与热释放速率曲线近似,故材料的失重速率曲线可以反映其热释放速率情况。2.5产烟速率产烟速率(Smokeproductionrate,SPR)以m2/s为单位,由比消光面积(Specificextinctionarea,SEA)计算得到。比消光面积由激光穿过烟气后的衰减量换算得出,用来表征材料燃烧时的产烟量,以m2/kg为单位。产烟速率—时间曲线见图4所示。产烟速率在试样燃烧的开始与结束阶段出现峰值,而在中段近似为零,形成“无烟区”。分析原因为:试样在“无烟区”处在稳定的有焰燃烧状态,纤维热解产物燃烧充分、产物基本上是气体,固态颗粒很少。同时试样表面已存在一定厚度的炭层,也具有抑烟作用。不同MP添加量试样的比消光面积见表1。阻燃板的比消光面积高于空白试样,并且比消光面积随着MP质量分数的增加而增大。当MP质量分数增至6%时,阻燃板的比消光面积增大126.9%,即MP大幅度增加了中纤板燃烧的产烟量。分析原因为:MP受热分解产生了氨气(不可燃性气体),将可燃性挥发物包围,造成后者缺氧,燃烧不充分,致使产烟量增大。鉴于此,MP不能单独使用,还需与抑烟剂配合,才能使中纤板在燃烧与产烟方面均达到标准的要求。2.5引燃时间引燃时间(Ignitiontime,TTI)指从开始加热到恰好维持材料表面有焰燃烧所需的时间,以s为单位。TTI越长,表明该材料在该条件下越不易点燃,阻燃性越好。由表1可知,空白试样的引燃时间为39.1s,添加3%MP后引燃时间为41.1s,当MP添加量增至6%时,阻燃板的引燃时间达到50.1s。分析原因认为:这与MP受热分解后产生大量氨气(不可燃气体),降低了试样上方空气中可燃性热解产物的浓度有关。3磷酸三聚氰胺添加量采用锥形量热仪初步研究了磷酸三聚氰胺对中密度纤维板的阻燃性能,结果表明:(1)随着磷酸三聚氰胺添加量的增加,中纤板的热释放速率、热释放总量、有效燃烧热、