人造板_木塑复合材料阻燃研究进展

人造板/木塑复合材料阻燃研究进展*

王 梅,胡云楚

(中南林业科技大学应用化学研究所,湖南长沙410004)

摘 要: 木质材料的阻燃处理是保障人民生命财产安全的需要。木材阻燃机理主要有覆盖理论、热理论、不燃气体冲淡理论、自由基捕集理论、炭量增加和挥发物减少理论;人造板阻燃处理主要是在生产工序中添加阻燃剂和成板处理两种方法,高压处理法是目前最重要的工业化方法;以FRW阻燃剂、BL 环保阻燃剂为代表的磷 氮 硼系阻燃剂仍旧是木材阻燃剂的主流;对于木塑复合材料的阻燃研究尚处于起步阶段,一般采用对木纤维和基体分别阻燃的手段;研制高效膨胀型木材阻燃剂和将纳米技术应用于木材阻燃剂制造,开发阻燃效率高、低烟、低毒、环境友好等多功能复合阻燃剂将是今后阻燃剂研究领域的发展方向。

关键词: 木材;人造板;木塑复合材料;阻燃;展望

中图分类号: TS653文献标识码:A 文章编号:1001 9731(2009)增刊 0518 05

1 引 言

木质材料是四大建筑材料之一,具有天然的纹理和美感,自古以来为人们所喜爱,并广泛应用于建筑、家具等工作和生活环境中。它无毒、无害,是唯一可再生和永续利用的 绿色材料。随着世界范围内木材资源短缺问题的日益加剧,利用其加工剩余物、采伐剩余物等为原料生产人造板和新型木塑复合材料已经成为了世界各国解决木材供需矛盾的主要途径。由于木质材料易燃,许多火灾的发生和蔓延都与木质材料有关,对人民生命财产安全构成极大的威胁,因此对木质材料的阻燃研究变得非常重要。

2 木材阻燃机理

2.1 覆盖理论

阻燃剂在低于木材燃烧温度下熔融,形成一种隔热的珐琅质层或泡沫层,使木材与热空气和火焰隔绝,防止可燃气体外逸,从而起到阻燃作用。物理障碍可以同时阻止发烟燃烧和有焰燃烧。这种障碍可以阻止可燃性气体外逸,也可阻止氧气进入基质,此外还可以将可燃基质与高温隔离。膨胀型阻燃涂料所形成的含炭泡沫是这种障碍作用的典型实例[1]。

2.2 热理论

某些阻燃剂在熔融或分解过程中吸收大量热量,可以延缓木材温度升高到热分解的温度,从而抑制木材表面着火。含有大量结晶水的化合物作为阻燃剂,可以通过物理变化和化学变化吸收热量以保护木材表面不致着火。水在蒸发时要吸收气化潜热,因而减缓了木材的热解反应[2]。

2.3 不燃气体冲淡作用理论

阻燃剂在低于木材正常燃烧温度下受热分解释放出不燃性气体或水蒸气,冲淡木材热分解形成的可燃性气体,构成一种不燃性混合气体,同时将木材与周围的空气隔绝,起到延缓燃烧的作用。

2.4 自由基捕集理论

在热解温度下,阻燃剂释放出自由基抑制剂,可以阻断燃烧过程中的链式反应。例如,卤系阻燃剂主要通过分解放出卤化氢来抑制燃烧过程中自由基的链式反应[3]。

2.5 炭量增加和挥发物减少理论

阻燃剂通过参与木材热解反应,降低热解的起始温度,使木材的热解反应朝着产炭量增加及挥发物产量减少的方向发展。许多研究表明,阻燃剂改变木材燃烧的反应过程,增加炭的产量,降低可燃性气体产量。当炭量上升和挥发物产量下降时,热释放速率必定下降[4]。根据炭量增加理论,阻燃处理可以影响木材的热解过程,通过阻燃剂的催化作用有可能使木材在热解反应过程中形成更多的木炭和水分,使木材剧烈热解的温度有所降低,并减少可燃气体的产量,从而降低木材燃烧的剧烈程度,达到抑制木材燃烧的目的。

聚磷酸铵和硼酸锌复合阻燃剂的阻燃机理可以用以上理论解释:聚磷酸铵溶解进入木材组织中,在木材内部催化木材分解和脱水成炭;聚磷酸铵受热分解产生的氨气、水蒸气对木材分解产生的可燃性气体和氧气具有稀释作用,聚磷酸铵分解产生的磷氧自由基可以阻断链式燃烧反应,从而减少燃烧放热量,有效地减缓木材燃烧的剧烈程度;由于木材分解产物不能完全燃烧,因此,聚磷酸铵在成炭阻燃的同时也催化产生大量的烟雾和毒气。硼酸锌以疏松的粉末状态附着于木材表面,通过隔热隔气作用阻碍木材的燃烧反应,通过吸附木材分解产生的可燃性气体和聚磷酸铵分解产生的气相阻燃气体可以在木材表面形成一个高浓度的还原性气相阻燃气体保护层;硼酸锌在吸附木材分解产物的同时也吸附空气中的氧气,因此,硼酸锌可以催化木材分解产物完全氧化为二氧化碳,有效地降低尾气

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(30871976);湖南省优秀博士学位论文获得者科研基金资助项目(101 4058)收到稿件日期:2009 05 18通讯作者:胡云楚

作者简介:王 梅 (1985!),女,河北冀州人,在读硕士,主要从事阻燃材料研究。

中烟雾和毒气的浓度。当硼酸锌和聚磷酸铵形成复合阻燃剂时,各个组分以各自不同的阻燃机理发挥作用,相互协同配合、取长补短,对于木材阻燃和抑烟产生明显的复合效应[4,5]。

3 阻燃人造板

人造板主要包括人造纤维板、刨花板和胶合板。制造阻燃人造板可采用成板处理和在生产工序中添加阻燃剂两种方法。国内研究了多种木材及木制品的阻燃剂,但是主流始终是含磷、氮和硼元素的化合物或它们的混合物。

3.1 人造板阻燃处理工艺

表面涂敷法,表面涂覆是在最后加工成型的木材及其制品表面上,涂敷阻燃剂或阻燃涂料,或者在其表面黏贴不燃性物质,通过保护层达到隔热隔氧的阻燃目的。表面涂覆的优点是能有效控制火势蔓延、药剂用量较少,对木材的物理力学性能影响较小,操作方便,设备简单。缺点是一旦保护层破损,阻燃性能随即消失[6,7]。

浸渍处理法,木材阻燃处理的另一种方法是浸渍处理法,使用的阻燃剂有磷酸胍阻燃剂、硼酸锆阻燃剂、聚磷酸铵阻燃剂等。阻燃处理分为常压法和高压法两种[8]。高压处理法,将木材置于能够承受压力的处理罐内用真空泵造成一定的负压,以除去木材细胞腔内的气体,再引入阻燃剂药剂溶液,然后通过加压装置向处理罐内施加一定的压力,使阻燃剂溶液压入木材细胞内。高压处理法是到目前为止进行木材阻燃最重要和最有效的工业方法。

在人造板生产中,在胶粘剂或刨花、木纤维中拌入阻燃剂。阻燃剂的加入可能会影响胶粘剂的固化,故需调整配方或固化剂用量。无机胶合人造板,如水泥刨花板、石膏刨花板、水泥木丝板等,具有良好的阻燃性。复合法以其节约木材、阻燃、防腐、价低等优势而具有强劲的发展势头。

3.2 人造板用阻燃剂

阻燃人造板最常用的无机阻燃剂是含有P、N、B、Al和卤素等的化合物[9],大致可分为磷酸铵盐为主的磷 氮系,以硼化物为主的硼系,含卤素化合物的卤系及含镁、铝等金属氧化物或氢氧化物。其中卤素阻燃剂由于会产生大量烟雾和有毒气体的缺点已经列入被替代产品行列,但是从溴化物的来源、价格、阻燃效率等来看,目前尚无替代品可与之匹敌。因而在缺乏更高效和综合性能的合适代用品的前提下,溴系阻燃剂在世界范围内(尤其是在一些发展中国家)还会使用相当长的时间[10]。

我国对阻燃人造板的研究起步较晚[11],20世纪末唐林等人采用磷 氮型阻燃剂对建筑用厚型或薄型单板及半成品进行阻燃处理。试验证明阻燃胶合板生产工艺是可行的,胶合强度也能满足要求[12]。罗文圣[13]专利报道了用含有磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、硼砂和卤化铵的混合阻燃剂与M D胶及M N胶共同作用制成阻燃胶合板,工艺简单,处理费用低,产品的阻燃性能符合B1级建筑材料的要求,还具有防腐防虫的性能。申世杰等人[14]采用FR改性脲醛树脂胶、硼类复合物和缩合磷酸胍3种阻燃剂研制复合胶合板,结果表明复合胶合板阻燃性能良好,但各项力学性能稍有降低。

3.2.1 新型木材阻燃剂FRW

东北林业大学王清文教授等[15]开发了一种新型木材阻燃剂FRW,主要包括高纯度磷酸脒基脲(GUP)、硼酸和少量的添加剂,具有优越的阻燃、抑烟、防腐和防白蚁性能。FRW受热分解,产生不燃性气体和不挥发的酸性熔融物质,具有降低体系温度和氧气浓度及屏蔽热辐射的作用,降低木材的分解速度。酸性分解产物催化木材的脱水、降解反应,能改变木材的热解途径使其向着有利于炭化的方向变化。FRW 显著的催化成炭作用,使阻燃木材的燃烧放热量大大降低,这是FRW阻燃作用的主要机理。

刘迎涛等人利用新型高效阻燃剂FRW研制阻燃刨花板、阻燃胶合板和阻燃中密度纤维板,其力学性能和阻燃性能都可达相关标准的规定[17]。通过正交试验得到FRW阻燃刨花板最佳制板工艺条件[16],阻燃剂施加量8%。采用干法中密度纤维板的生产工艺,研制FRW阻燃中密度纤维板,阻燃剂用量为11%,通过FT IR分析表明,FRW阻燃中密度纤维板的制板工艺条件对FRW阻燃剂的组成和组分分子结构、性能未产生任何负面影响。

胡景娟等[18]利用浓度为10%的FRW水溶液浸渍2m m厚杨木单板,利用锥形量热仪评价了杨木胶合板的燃烧性能。结果表明,在50kW/m2的热辐射功率下,阻燃胶合板热释放速率峰值、总热释放量、烟释放速率峰值、总烟释放量都显著降低,成碳率提高,阻燃抑烟性能良好。董国斌等[19]用FRW处理杨木单板,研制阻燃性能优异的FRW阻燃杨木胶合板,并对其各项物理力学性能和阻燃性能进行了测试,阻燃效果显著。

3.2.2 BL 环保型阻燃剂

北京林业大学材料学院发明一种BL 环保型阻燃剂,具有环保无毒、一剂双功效、成本低、易生产使用等优点。由于该剂对脲醛树脂胶有一定影响,使用时必须和脲醛树脂胶分开施加,并且含有一些吸湿成分,以颗粒状物质分布在纤维板内部,在一定程度上影响板材的内结合强度和防水性能[20]。

王艳良[21]利用BL 环保阻燃剂开发阻燃刨花板,其氧指数能够达到B1难燃级标准,其物理力学性能达到国标对家具和室内装修用材的要求,同时由于阻燃剂中含有甲醛消纳剂,对甲醛释放量问题是一种治本之法。通过实验最终提出了一些建议:BL 环保阻燃剂本身还存在一些有待改进的地方,比如会对刨花板的