王書強(qiáng)，龐小仁，黃成建，沈道海，章衛(wèi)鋼,，李延軍,

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300;2.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安311300）

竹單板載藥量對(duì)薄竹膠合板燃燒性能的影響

王書強(qiáng)1，龐小仁2，黃成建1，沈道海2，章衛(wèi)鋼1,2，李延軍1,2

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300;2.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安311300）

利用復(fù)配阻燃劑采用常壓浸漬法研究溫度、時(shí)間、浸漬質(zhì)量濃度等對(duì)竹單板載藥量的影響，并測(cè)試不同載藥量薄竹膠合板的燃燒和力學(xué)性能。結(jié)果表明：在溫度為60℃，時(shí)間為8.0 h，浸漬質(zhì)量濃度為300.0 g·L-1時(shí)為最佳浸漬條件；隨著載藥量的增加薄竹膠合板的熱釋放速率、總熱釋放量、煙釋放速率和總煙釋放量都減小，而殘余物質(zhì)剩余量和點(diǎn)燃時(shí)間在逐漸增加；氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果表明：經(jīng)過阻燃處理的薄竹膠合板的氧指數(shù)都有較明顯的提高，并且隨著載藥量的增加而增加，當(dāng)載藥量A≥8%，其氧指數(shù)已達(dá)到GB/T 9846.7-2004中B1級(jí)膠合板和日本JISD1322-1977中的難燃一級(jí)品的要求；膠合強(qiáng)度測(cè)試表明經(jīng)過阻燃處理的薄竹膠合板其膠合強(qiáng)度隨著載藥量的增加有所下降。膠合強(qiáng)度和含水率均能滿足Ⅱ類普通膠合板的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值。圖6表2參12

木材科學(xué)與技術(shù)；竹單板;阻燃;膠合板;燃燒性能

中國(guó)竹類資源豐富，素有 “竹子王國(guó)”之稱。在400萬hm2純竹林中，具有較高經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值的毛竹Phyllostachys edulis林有280萬hm2，占70%左右［1］。目前，國(guó)內(nèi)開發(fā)的竹產(chǎn)品主要用于建筑模板、車廂底板、 室內(nèi)裝飾地板等3個(gè)方面，板材的類型較少，產(chǎn)品加工深度不夠，利潤(rùn)較低。刨切薄竹作為新型的裝飾材料進(jìn)行推廣，因它具有特殊的紋理、真實(shí)淡雅的質(zhì)感，在歐美等國(guó)尤其受到歡迎［2-4］。然而，與木材類似，刨切薄竹及其產(chǎn)品也屬于可燃材料，一旦發(fā)生火災(zāi)會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要提高刨切薄竹及其產(chǎn)品的耐火性。通過阻燃處理可降低薄竹的熱降解速率，將火災(zāi)降低到最?。?］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)氮磷系列阻燃劑在木材上進(jìn)行了系統(tǒng)的研究［6-8］，并為本研究提供了良好借鑒。本研究通過對(duì)氮磷系列阻燃劑處理后的膠合板進(jìn)行各方面性能的測(cè)試，選出最佳的阻燃試劑條件，為今后阻燃膠合板的生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

刨切薄竹：購(gòu)自杭州森瑞竹木業(yè)有限公司，試樣尺寸為400.0 mm×400.0 mm×1.1 mm，含水率6.0%～8.0%，表面平整，無裂痕。

膠黏劑：改性脲醛樹脂膠，固體含量為54.47%。

阻燃劑：m（磷酸氫二銨）∶m（硫酸銨）∶m（硼砂）∶m（聚磷酸銨）=30∶35∶8∶27，增強(qiáng)劑（苯酐、三乙醇胺），均為市售工業(yè)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 阻燃浸漬工藝 阻燃劑溶液質(zhì)量濃度ρ1=100.0 g·L-1，ρ2=200.0 g·L-1，ρ3=300.0 g·L-1，浸漬時(shí)間t1= 15 min，t2=0.5 h，t3=1.0 h，t4=2.0 h，t5=6.0 h，t6=8.0 h，t7=10.0 h；溫度T1=30℃，T2=45℃，T3=60℃。采用常壓浸漬法研究了不同浸漬工藝對(duì)單板載藥量的影響。首先選取9組單板，15張·組-1，然后將單板浸漬到上述不同變量條件下的浸漬液中，具體浸漬工藝流程為：薄竹單板 （含水率6.0%～8.0%）→稱量→浸漬→瀝干測(cè)質(zhì)量；載藥量計(jì)算公式為：A=［（m2-m1）×n/m1］×100%×k［9］，其中m1為試樣浸漬前質(zhì)量，m2為試樣浸漬后質(zhì)量，n為阻燃劑溶液質(zhì)量濃度，k為修正系數(shù)，k=處理阻燃溶液質(zhì)量濃度/剩余阻燃溶液質(zhì)量濃度。

1.2.2 膠合板制備 從浸漬得到的135塊單板中選取載藥量達(dá)到或接近6%，8%，10%，12%的浸漬薄竹單板各21塊，另取未阻燃處理薄竹單板21塊作為對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，將同一載藥量的各組薄竹單板手工涂膠（單面涂膠量200 g·m-2），壓制成7塊3層膠合板。熱壓工藝為：熱壓溫度105℃，熱壓時(shí)間60 s· mm-1，單位壓力1.0 MPa。壓制好的膠合板在室溫下調(diào)整含水率24.0 h。

1.2.3 燃燒性能測(cè)試 將上述壓制好的同一載藥量的薄竹膠合板裁剪成100.0 mm×100.0 mm的尺寸，利用錐形量熱儀按照ISO 5660-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行燃燒性能測(cè)試；依據(jù)GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指數(shù)法測(cè)定燃燒行為第2部分：室溫實(shí)驗(yàn)》在JF-3型氧指數(shù)測(cè)定儀上測(cè)定氧指數(shù)。

1.2.4 膠合強(qiáng)度測(cè)試 將試樣依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9846.7-2004《膠合板》的截鋸試件標(biāo)準(zhǔn)截鋸12個(gè)·組-1，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》，利用萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)各組試樣進(jìn)行膠合強(qiáng)度測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 浸漬溫度對(duì)刨切薄竹載藥量的影響

圖1所示為不同浸漬時(shí)間條件下，不同質(zhì)量濃度阻燃劑溶液浸漬的單板所獲得載藥量隨溫度的變化圖。在相同的時(shí)間內(nèi)，薄竹單板的載藥量均隨著浸漬溫度的升高而增加，基本呈直線上升趨勢(shì)。但溫度30℃到45℃的增幅要小于由溫度45℃到60℃的增幅。這是由于溫度越高分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，則阻燃劑分子越易進(jìn)入到單板中。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中一味的提高浸漬溫度是不可取的，一方面浪費(fèi)能源，另一方面隨著水分的揮發(fā)，阻燃劑溶液的質(zhì)量濃度也越來越大，不利于生產(chǎn)管理，所以要快速取得所需載藥量的單板一般選擇溫度為60℃。

2.2 浸漬時(shí)間對(duì)刨切薄竹載藥量的影響

圖2中3個(gè)圖分別是在不同浸漬溫度下，薄竹單板在不同質(zhì)量濃度阻燃劑溶液中浸漬得到的載藥量與浸漬時(shí)間之間的關(guān)系圖。圖2顯示，薄竹單板載藥量都隨著浸漬時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，且增加到8.0 h時(shí)趨于穩(wěn)定。在研究范圍內(nèi)，一味的延長(zhǎng)浸漬時(shí)間，單板載藥量增幅并不明顯，反而還會(huì)降低生產(chǎn)的效率。經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)可知8.0 h為最佳的浸漬時(shí)間，一方面可以使單板的載藥量控制在10%～12%，另一反面也可以在滿足載藥量的條件下提高生產(chǎn)效率。

圖1 不同浸漬時(shí)間下單板載藥量與浸漬溫度的關(guān)系Figure 1 Relationship between the chemical loading and temperature under different time

圖2 不同浸漬溫度下單板載藥量與浸漬時(shí)間的關(guān)系Figure 2 Relationship between the chemical loading and time under different temperatures

2.3 浸漬質(zhì)量濃度對(duì)刨切薄竹載藥量的影響

圖3為在不同浸漬溫度下，薄竹單板載藥量與阻燃劑溶液質(zhì)量濃度之間的關(guān)系線。圖3顯示，溫度一定時(shí)，單板載藥量隨著阻燃劑溶液質(zhì)量濃度的增大和時(shí)間的增加而增加，在溫度較低時(shí)，100.0～200.0 g·L-1的增幅要大于200.0～300.0 g·L-1的增幅，這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)溶液中特別是硼砂容易在單板表面形成結(jié)晶，不易滲透到單板內(nèi)部，但隨著溫度升高，溶液分子運(yùn)動(dòng)加劇，浸漬液的滲透性會(huì)提高。

圖3 不同溫度下單板載藥量與浸漬質(zhì)量濃度的關(guān)系Figure 3 Relationship between the chemical loading and concentration under different temperatures

3 燃燒性能

3.1 熱釋放速率（HRR）和總熱釋放量（THR）

圖4為不同載藥量薄竹膠合板的熱釋放速率（HRR）和總熱釋放量（THR）隨時(shí)間變化曲線圖。圖4中顯示不同載藥量的薄竹膠合板，其HRR和THR曲線均有2個(gè)階段且相互對(duì)應(yīng)，第1個(gè)階段為初期短暫有焰燃燒形成的；第2個(gè)階段為劇烈燃燒形成的，經(jīng)過阻燃處理試樣的HRR和THR值均比未處理試樣的低，且隨著阻燃劑溶液質(zhì)量濃度和載藥量的增加相應(yīng)的值越低，說明阻燃處理減少了試樣的熱釋放量和熱釋放速率，起到了較好的阻燃效果，因?yàn)樵谌紵倪^程中氮磷類阻燃劑會(huì)分解產(chǎn)生難燃?xì)怏w覆蓋到膠合板表面，阻礙了熱量的釋放。

圖4 不同載藥量刨切薄竹膠合板的熱釋放速率和總熱釋放量曲線Figure 4 HRR and THR curves of different chemical loading sliced bamboo plywood

3.2 煙釋放速率（RSR）和總煙釋放量（TSR）

圖5為不同載藥量薄竹膠合板的RSR和TSR隨時(shí)間的變化曲線。圖5中未經(jīng)阻燃處理試樣的RSR峰值高于經(jīng)阻燃處理試樣的峰值，且隨著載藥量的增加峰值逐漸降低，說明阻燃處理減緩了膠合板的煙釋放速率。阻燃處理試樣煙釋放速率降低主要是由于阻燃劑中硼砂在熱解中熔融，覆蓋在材料表面，阻礙了煙氣的釋放［10］；經(jīng)過阻燃處理的薄竹膠合板總煙釋放量（TSR）顯著降低，這和煙釋放速率的曲線圖變化規(guī)律是一致的，煙釋放總量增長(zhǎng)速度較快的階段是試樣被點(diǎn)燃到第2放熱峰出現(xiàn)的階段；進(jìn)入紅熱階段后，煙釋放速率降低，煙釋放總量曲線開始變平緩，基本成一條直線，且隨著載藥量的增加總煙釋放量在逐漸降低。也說明此阻燃劑在常壓浸漬下也能有較好的阻燃效果。

圖5 不同載藥量刨切薄竹膠合板的煙釋放速率和總煙釋放量曲線Figure 5 RSR and TRS curves of different chemical loading sliced bamboo plywood

3.3 殘余物質(zhì)質(zhì)量（mass）

圖6為不同載藥量薄竹膠合板的殘余物質(zhì)質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線。圖6顯示隨著試樣的燃燒，殘余物質(zhì)質(zhì)量逐漸減少，從燃燒開始到第2放熱峰出現(xiàn)，殘余物質(zhì)質(zhì)量下降急劇，進(jìn)入無焰燃燒后，殘余質(zhì)量變化減緩，經(jīng)阻燃處理的試樣殘余物質(zhì)質(zhì)量大于未處理試樣的殘余物質(zhì)質(zhì)量。且載藥量越大，殘余物質(zhì)質(zhì)量越大，阻燃效果越明顯，說明阻燃處理促進(jìn)了膠合板成炭。

3.4 點(diǎn)燃時(shí)間t（light time）

研究測(cè)得未處理膠合板點(diǎn)燃時(shí)間t=15 s，而A1= 6%，A2=8%，A3=10%，A4=12%的阻燃膠合板對(duì)應(yīng)t1= 24 s，t2=31 s，t3=34 s，t4=44 s，說明經(jīng)阻燃處理的膠合板其燃燒性受到限制，阻燃機(jī)制的具體原因相關(guān)學(xué)者［11］認(rèn)為：一方面阻燃劑能夠催化竹材熱解，使膠合板在較低溫度下迅速燃燒成炭，抑制后續(xù)燃燒過程，另一方面為可能與硼酸受熱熔解覆蓋在膠合板表面有關(guān)。

圖6 不同載藥量刨切薄竹膠合板的殘余物質(zhì)質(zhì)量曲線Figure 6 Mass curves of different chemical loading sliced bamboo plywood

3.5 氧指數(shù)測(cè)試

由表1可得：與空白組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，經(jīng)過阻燃處理的薄竹膠合板的氧指數(shù)為29.3%～62.7%，當(dāng)載藥量A≥8%時(shí)經(jīng)阻燃劑處理的薄竹膠合板其氧指數(shù)≥30.0%，達(dá)到且遠(yuǎn)大于日本標(biāo)準(zhǔn)（JISD 1322-1977）中規(guī)定的難燃一級(jí)品的標(biāo)準(zhǔn)，也達(dá)到了國(guó)標(biāo)B1級(jí)膠合板氧指數(shù)≥32.0%的要求。說明經(jīng)阻燃處理的膠合板其阻燃性能得到較大的提高。

3.6 膠合強(qiáng)度測(cè)試

表2為薄竹單板不同載藥量試件膠合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。從2表中可以看出：當(dāng)載藥量從0上升到12%時(shí)，阻燃膠合板的膠合強(qiáng)度下降明顯。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，載藥量從6%上升到12%時(shí)阻燃膠合板的膠合強(qiáng)度均能夠達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。有研究認(rèn)為引起膠合板膠合強(qiáng)度變化的因素可能為：經(jīng)過阻燃處理過的單板其自身性質(zhì)發(fā)生了改變，影響了膠釘?shù)男纬桑?2］。本研究認(rèn)為：引起膠合板膠合強(qiáng)度變化的因素可能為阻燃處理后的單板能從空氣中吸收水分，影響了膠黏劑的固化。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》中膠合板含水率的測(cè)試方法，測(cè)得不同載藥量的阻燃膠合板的含水率范圍為11.0%～12.9%，滿足GB/T 9846-2004《膠合板》Ⅱ類膠合板含水率低于14.0%的要求。

表1 薄竹單板氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 Oxygen index of sliced bamboo veneer

表2 阻燃膠合板的膠合強(qiáng)度Table 2 Bonding strength of the fire-retardant plywood

4 結(jié)論

薄竹單板載藥量隨著浸漬溫度、時(shí)間、質(zhì)量濃度等的增加而增大，在本研究范圍內(nèi)T=60℃，ρ= 300.0 g·L-1，t=8.0 h時(shí)單板載藥量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定且已滿足較好阻燃效果的要求。

和處理試樣的燃燒性能相比，經(jīng)過阻燃處理的膠合板的熱釋放速率峰值、總熱釋放量、總煙釋放量、煙釋放速率等都逐漸下降而殘余物質(zhì)量逐漸增加且隨著載藥量的增加上述趨勢(shì)越明顯，氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)A≥8%時(shí)，氧指數(shù)顯著提高，且已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中B1級(jí)膠合板和日本標(biāo)準(zhǔn)（JISD 1322-1977）中規(guī)定的難燃一級(jí)品的標(biāo)準(zhǔn)。說明經(jīng)該阻燃劑處理的膠合板具有較好的阻燃效果。

隨著載藥量的增加，經(jīng)阻燃處理膠合板的點(diǎn)燃時(shí)間增加，燃燒后的薄竹膠合板成炭率增加，說明阻燃處理延長(zhǎng)了膠合板的點(diǎn)燃時(shí)間，起到了較好的阻燃效果。

和未阻燃處理膠合板的力學(xué)性能相比，經(jīng)過阻燃處理的膠合板的膠合強(qiáng)度下降，含水率上升，且隨載藥量的增加而越明顯。但都達(dá)到了Ⅱ類膠合板的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，說明利用該浸漬工藝生產(chǎn)該阻燃膠合板是可行的。

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Combustion properties of sliced bamboo plywood with chemical loading

WANG Shuqiang1,PANG Xiaoren2,HUANG Chengjian1,SHEN Daohai2,ZHANG Weigang1,2,LI Yanjun2
（1.School of Engineering,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.Zhejiang Province Key Laboratory of Wood Science and Technology,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China）

In order to restrain the combustion of the sliced bamboo plywood and its products,which were used as decorating materials,significantly the materials above should be treated with fire retardant to increase their safety security.The effect of temperature,time,and dipping concentration on the chemical loading of sliced bamboo veneer were tested by thermostatic bath utilizing complex fire retardants at constant pressure.Combustible properties and mechanical properties of the fire-retardant sliced bamboo plywood were also determined using oxygen index and bonding strength tests.Results showed that the best impregnation conditions were 60℃for 8.0 h at an impregnation concentration of 300.0 g·L-1.Combustible properties of heat release rate,total heat release quality,and smoke release rate,decreased as chemical loading increased;however,residual material quantity and light time increased.The oxygen index of the treated plywood increased;when the chemical loading was 8%,the oxygen index reached the B1 fire-retardant grade as per JISD 1322-1977.Although bonding strength decreased with an increase in chemical loading,the national standard for ClassⅡplywood was maintained.So,it was feasible that Sliced Bamboo plywood could be manufactured by the impregnation process under atmospheric pressure.［Ch,6 fig.2 tab.12 ref.］

wood science and technology;bamboo veneer;fire-retardant;plywood;combustible properties

S781.9；TS653

A

2095-0756（2015）04-0590-06

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.04.015

2014-09-23；

2014-12-24

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（LZ13C160003）；浙江省科學(xué)技術(shù)面上項(xiàng)目（2013C14006）；浙江省林業(yè)廳資助項(xiàng)目（2014TS02）

王書強(qiáng)，從事竹材工業(yè)化應(yīng)用研究。E-mail：308601139@qq.com。通信作者：李延軍，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事竹木復(fù)合材料及竹材工業(yè)化應(yīng)用研究。E-mail：lalyj@126.com