阻燃中密度纖維板的制備

阻燃中密度纖維板的制備

由于中薄纖維板（中薄板）的良好物理強度和加工性能，中薄纖維板廣泛應(yīng)用于建筑裝飾和裝飾。2008年，中薄纖維板產(chǎn)量達到2370.52萬米。根據(jù)新頒布的強制性國家標(biāo)準(zhǔn)《公共場所阻燃制品及組件燃燒性能要求和標(biāo)識》(GB20268-2006)的相關(guān)要求,中纖板在公共場所應(yīng)用時必須達到一定的阻燃級別。因此,開展阻燃中纖板的研究十分重要。提高材料的阻燃性主要通過加入阻燃劑的方法實現(xiàn)。阻燃劑必須能夠在燃燒過程中的特定環(huán)節(jié)(加熱、熱解、點燃或火焰蔓延)對燃料、能量和氧氣之中的任一或全部要素產(chǎn)生干涉作用才能產(chǎn)生阻燃效果。磷酸三聚氰胺(MelaminePhosphate,簡稱MP)屬于三嗪類化合物,分子中含磷、氮,不含鹵,其特點是:(1)可發(fā)生P-N協(xié)同效應(yīng),阻燃效率高;(2)熱穩(wěn)定性高,分解溫度與木質(zhì)材料熱解溫度相匹配;(3)水溶性極小,加入到基材后不發(fā)生吸潮、遷移等現(xiàn)象。筆者采用錐形量熱儀,在輻射功率50kW/m2下,試驗在脲醛樹脂施加量7%,磷酸三聚氰胺添加量0%、3%、6%條件下中密度纖維板的燃燒性能,初步研究磷酸三聚氰胺對中密度纖維板的阻燃性能。1材料和方法1.1材料表面美國南方松木纖維;自制脲醛樹脂,固含量48.9%,pH為7.03;磷酸三聚氰胺:白色超細固體粉末。1.2成型框內(nèi)預(yù)壓成型板坯、壓板的制備將南方松木纖維置于攪拌桶中,稱取0%、3%、6%(與纖維絕干質(zhì)量比)的MP超細粉末撒入,開動電機,攪拌數(shù)分鐘;用噴槍按7%(與纖維絕干質(zhì)量比)施加脲醛樹脂,繼續(xù)攪拌數(shù)分鐘。將混有MP粉末、施好膠的纖維放入成型框內(nèi)預(yù)壓制成板坯;熱壓時,壓板溫度160℃,加壓時間按照30s/mm設(shè)定,選用12.7mm厚度規(guī);板材平衡含水率后,截取邊長100mm的方形試樣。1.3熱輻射功率的設(shè)定使用錐形量熱儀,依據(jù)《對火的反應(yīng)試驗—熱釋放、產(chǎn)煙量及質(zhì)量損失速度—第一部分:熱釋放速率(錐形量熱儀法)》(ISO5660-1)進行試驗。先按規(guī)定程序標(biāo)定錐形量熱儀,將熱輻射功率設(shè)定為50kW/m2。用鋁箔紙包裹試樣(只露出上表面)。重復(fù)試樣數(shù)為2,任選其中一組數(shù)據(jù)代表該狀態(tài)試樣的試驗結(jié)果。測試的燃燒性能指標(biāo)有:熱釋放速率、熱釋放總量、有效燃燒熱、質(zhì)量損失速率、比消光面積和引燃時間。2mp質(zhì)量分數(shù)對阻燃板熱釋放速率的影響試樣的燃燒性能測試結(jié)果見表1。2.1熱釋放速率熱釋放速度(Heatreleaserate,HRR)指單位面積試樣燃燒時釋放熱量的速率,以kW/m2為單位,熱釋放速率的最大值為熱釋放速率峰值(pkHRR)。HRR或pkHRR越大,材料表面接收的熱反饋越多,材料熱解速率越快,從而產(chǎn)生的可燃性揮發(fā)物越多,火焰?zhèn)鞑ヒ苍娇?材料在火災(zāi)中的危險性就越大。由表1可見,添加了MP的阻燃板的熱釋放速率低于空白試樣,熱釋放速率隨著MP質(zhì)量分數(shù)的增加而降低。當(dāng)MP質(zhì)量分數(shù)增至6%時,阻燃板的熱釋放速率降低24.1%。試樣的熱釋放速率—時間曲線見圖1。曲線在試樣燃燒開始與結(jié)束階段出現(xiàn)峰值,中間階段是一個平臺。分析原因:試樣在被點燃后很快進入炭化階段,此階段纖維熱分解反應(yīng)最劇烈,產(chǎn)生的可燃性揮發(fā)物最多,發(fā)生有焰燃燒,使得熱釋放速率迅速達到最大值,形成第一個波峰。此后隨著炭層不斷向試樣內(nèi)部延伸,炭層隔熱作用使試樣內(nèi)部溫度上升緩慢,熱釋放速率減慢,曲線進入平臺段。但炭層厚度有限,隨著溫度繼續(xù)升高,炭化物也開始燃燒,放出熱量,熱釋放速率重新上升,形成第二個波峰。通常木質(zhì)材料熱釋放速率曲線上的第一個波峰為“陡峭”的單峰,而筆者試驗中熱釋放速率曲線在該位置為低矮的雙峰,發(fā)生分叉。分析原因為:單峰分叉現(xiàn)象由試樣表面預(yù)固化層引起。預(yù)固化層是指干法中密度纖維板的板坯表面2～3mm的疏松層,是由于熱壓時板坯表層的膠黏劑在無壓力條件下固化形成的。由于預(yù)固化層結(jié)構(gòu)疏松,密度較芯部小,單位面積里的可燃物質(zhì)量也較少,因而試樣燃燒初期的熱釋放速率偏低,對應(yīng)雙峰中的第一個波峰。當(dāng)燃燒穿過預(yù)固化層,接觸到密度較高的內(nèi)層時,試樣的熱釋放速率升高,但由于既有炭層的隔熱作用,熱釋放速率升高受阻,于是形成雙峰的第二個波峰,分叉現(xiàn)象由此出現(xiàn)。2.2熱釋放總量熱釋放總量(Totalheatreleased,THR)指單位面積材料從開始燃燒到結(jié)束所釋放的熱量,以MJ/m2為單位。一般熱釋放總量越大,材料在火災(zāi)中的危險性就越大。由表1可見,阻燃板的熱釋放總量低于空白試樣,熱釋放總量隨著MP質(zhì)量分數(shù)的增加而降低,當(dāng)MP質(zhì)量分數(shù)增至6%時,阻燃板的熱釋放總量降低19.8%。熱釋放總量—時間曲線見圖2所示,熱釋放總量在試驗初期可燃性熱解產(chǎn)物的有焰燃燒階段以及末期炭化產(chǎn)物的無焰燃燒階段增長較快,而試驗中段的增速恒定。2.3有效燃燒熱有效燃燒熱(Effectiveheatofcombustion,EHC)指材料燃燒時某一時刻的熱釋放量與損失質(zhì)量之比,以MJ/kg為單位,反映了可燃性揮發(fā)物的氣相燃燒程度。由表1可見,阻燃板的有效燃燒熱低于空白試樣,且有效燃燒熱隨MP質(zhì)量分數(shù)的增加而降低。當(dāng)MP質(zhì)量分數(shù)增至6%時,阻燃板的有效燃燒熱降低了15.3%,說明MP能抑制中纖板熱解產(chǎn)生的可燃性揮發(fā)物的氣相燃燒,這與MP受熱分解釋放出不可燃的氨氣包圍可燃氣體,隔絕氧氣有關(guān)。2.4失重速率失重速率(Masslossrate,MLR)指材料在燃燒時質(zhì)量減少的速率,以g/s為單位,反映材料的熱解速率。由表1可見,阻燃板的失重速率低于空白試樣,并且失重速率隨著MP質(zhì)量分數(shù)的增加而降低;當(dāng)MP質(zhì)量分數(shù)增至6%時,失重速率降低了9.1%。不同MP添加量試樣的殘重率—時間曲線見圖3?？瞻自嚇拥臍堉芈蕿?5.3%,而添加6%MP的阻燃板的殘重率上升到了32.6%,說明MP可促進纖維熱解時的成炭反應(yīng)。這與MP受熱分解產(chǎn)生磷酸,催化纖維素、半纖維素脫水成炭有關(guān)。失重速率曲線與熱釋放速率曲線近似,故材料的失重速率曲線可以反映其熱釋放速率情況。2.5產(chǎn)煙速率產(chǎn)煙速率(Smokeproductionrate,SPR)以m2/s為單位,由比消光面積(Specificextinctionarea,SEA)計算得到。比消光面積由激光穿過煙氣后的衰減量換算得出,用來表征材料燃燒時的產(chǎn)煙量,以m2/kg為單位。產(chǎn)煙速率—時間曲線見圖4所示。產(chǎn)煙速率在試樣燃燒的開始與結(jié)束階段出現(xiàn)峰值,而在中段近似為零,形成“無煙區(qū)”。分析原因為:試樣在“無煙區(qū)”處在穩(wěn)定的有焰燃燒狀態(tài),纖維熱解產(chǎn)物燃燒充分、產(chǎn)物基本上是氣體,固態(tài)顆粒很少。同時試樣表面已存在一定厚度的炭層,也具有抑煙作用。不同MP添加量試樣的比消光面積見表1。阻燃板的比消光面積高于空白試樣,并且比消光面積隨著MP質(zhì)量分數(shù)的增加而增大。當(dāng)MP質(zhì)量分數(shù)增至6%時,阻燃板的比消光面積增大126.9%,即MP大幅度增加了中纖板燃燒的產(chǎn)煙量。分析原因為:MP受熱分解產(chǎn)生了氨氣(不可燃性氣體),將可燃性揮發(fā)物包圍,造成后者缺氧,燃燒不充分,致使產(chǎn)煙量增大。鑒于此,MP不能單獨使用,還需與抑煙劑配合,才能使中纖板在燃燒與產(chǎn)煙方面均達到標(biāo)準(zhǔn)的要求。2.5引燃時間引燃時間(Ignitiontime,TTI)指從開始加熱到恰好維持材料表面有焰燃燒所需的時間,以s為單位。TTI越長,表明該材料在該條件下越不易點燃,阻燃性越好。由表1可知,空白試樣的引燃時間為39.1s,添加3%MP后引燃時間為41.1s,當(dāng)MP添加量增至6%時,阻燃板的引燃時間達到50.1s。分析原因認為:這與MP受熱分解后產(chǎn)生大量氨氣(不可燃氣體),降低了試樣上方空氣中可燃性熱解產(chǎn)物的濃度有關(guān)。3磷酸三聚氰胺添加量采用錐形量熱儀初步研究了磷酸三聚氰胺對中密度纖維板的阻燃性能,結(jié)果表明:(1)隨著磷酸三聚氰胺添加量的增加,中纖板的熱釋放速率、熱釋放總量、有效燃燒熱、