不同膠黏劑和阻燃劑對刨花板燃燒性能的影響

李曉平，吳章康，鄒全，張清偉

（西南林業大學云南省木材膠黏劑及膠合制品重點實驗室，云南昆明 650224）

不同膠黏劑和阻燃劑對刨花板燃燒性能的影響

李曉平，吳章康，鄒全，張清偉

（西南林業大學云南省木材膠黏劑及膠合制品重點實驗室，云南昆明 650224）

為了研究出一種阻燃性能良好的阻燃刨花板，分析了3種不同膠黏劑和阻燃劑對刨花板物理力學性能和燃燒性能的影響。結果表明：不同的膠黏劑種類對刨花板的各項性能具有顯著的影響，在添加阻燃劑后多數刨花板的物理力學性能下降，僅異氰酸酯膠黏劑（MDI）刨花板的彈性模量（MOE）顯著提高（P=0.002）。在添加阻燃劑前酚醛樹脂膠黏劑（PF）和MDI均具有良好的抑煙作用；添加阻燃劑后，PF的抑煙作用增強，但不利于提高板材的阻燃性能；而MDI的發煙量增加，卻可以顯著地提高板材的阻燃性能。添加阻燃劑后，脲醛樹脂膠黏劑（UF）刨花板的煙密度等級和氧指數分別是空白刨花板的77.86%～103.64%和124.68%～153.21%；PF刨花板的煙密度等級和氧指數是空白刨花板的27.8%～87.53%和123.95%～142.6%；而MDI刨花板的煙密度等級和氧指數是空白刨花板的108.75%～203.04%和137.5%～163.24%。總之，PF具有優異的抑煙性能但阻燃性能一般，MDI具有很好的阻燃性能但會增加板材的發煙量，可進一步在研究阻燃劑與膠黏劑之間作用機制基礎上開發出一種阻燃抑煙性能優良的阻燃劑或制備出阻燃性能優異的刨花板。圖1表5參12

林業工程；刨花板；氧指數；煙密度；不同膠黏劑；不同阻燃劑

刨花板是中國重要的人造板品種之一。2000年以來，中國就成為世界上重要的人造板生產大國。目前，刨花板被普遍應用于家具制造、室內裝飾和包裝材料等領域。當刨花板應用于室內裝修和家具制造等室內場合時，如果一旦發生火災，這些木質材料則為加速和擴大火災埋下隱患，因此不經過阻燃處理的木質材料被列為可燃性木質材料［1］。為了提高刨花板的應用價值，提高該材料的阻燃性，世界上有很多科研工作者都對阻燃刨花板的性能和開發進行了研究［2-4］。這些研究包括阻燃刨花板的制備工藝、產品性能、原料開發和新產品制備等［5］。在中國高樓林立的大中型城市，一旦發生火災，造成的人員傷亡將不可估量，所以在中國生產研究低毒、持久和環保的阻燃型人造板將具有尤為重要的現實意義。在前人對阻燃刨花板進行研究和開發以及筆者對阻燃膠合板制備和工業化研究［6-7］的基礎上，本研究選取了3種不同的阻燃劑，2種不同的木質原料——木質刨花和工業大麻稈刨花和3種不同的膠黏劑——脲醛樹脂膠黏劑（UF），酚醛樹脂膠黏劑（DF）和異氰酸酯膠黏劑（MDI）來制備阻燃刨花板。本研究所采用的工業大麻Cannabissativa是一種供工業利用的大麻品種，其結構和纖維形態是類似于闊葉材的低密度非木質材料［8-9］，纖維細胞壁的力學性能較其他農作物秸稈、針葉材和闊葉材纖維細胞壁的力學性能要低［10］；可用于制備輕質高強的結構材料和刨花板［11-12］。本研究將進一步分析利用工業大麻稈制備的阻燃刨花板與木質阻燃刨花板之間的性能差異，為制備出阻燃性能優良的刨花板奠定基礎。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

木質原料：本實驗中分別采用木質刨花（80%云南松Pinusyunnanensis和20%其他雜木）和工業大麻稈刨花為原料，來制備刨花板。木質刨花由新飛林人造板有限公司提供；工業大麻稈刨花采用產于云南的工業大麻稈刨花作為實驗材料，由云南省農業科學研究院提供，刨花為自制刨花。測氧指數時，2種原料在不增加氧氣，即空氣中的含氧量就可以導致材料燃燒；另外測煙密度時，材料很容易燃燒，無法計算煙密度。

膠黏劑：本實驗中所采用的膠黏劑為脲醛樹脂膠黏劑、酚醛樹脂膠黏劑和異氰酸脂膠黏劑等3種。脲醛樹脂膠黏劑：由新飛林人造板股份有限公司提供，性能指標分別為黏度（30）30～32 s（4#涂料杯），pH 9.0，固體含量為60%～61%，游離甲醛含量2.5 g·kg-1；氯化銨黏（NH4Cl）為脲醛樹脂膠固化劑，市購，分析純；酚醛樹脂膠黏劑（PF）：自制，固含量51%～53%，棕紅色；異氰酸酯膠黏劑：市購，固含量為100%，褐色。

阻燃劑：試驗中共采用3種阻燃劑，分別為無機阻燃劑（FR-A），有機阻燃劑（FR-B）和聚磷酸銨阻燃劑（FR-C）。FR-A為無機型阻燃劑，其主要化學成分為硼酸、硼砂等；FR-B為有機型阻燃劑，其主要化學成分為磷酸銨、硫酸銨等；FR-C阻燃劑的主要成分為聚磷酸銨，詳見參考文獻［8］。

1.2 試驗方法

采用單因素法進行，阻燃刨花板的工藝流程見圖1所示。

圖1 阻燃刨花板的工藝流程Figure 1 Manufacturing technicsof inflaming retardant particleboard panels

刨花阻燃處理：將3種阻燃劑制成質量分數為12%的溶液，利用噴槍均勻的施加到刨花中，阻燃劑的添加量為絕干刨花的10%；再將刨花置于70℃的恒溫烘箱中烘至含水率為3%～5%。

板材制備：板材厚度為10mm，目標密度0.70 g·cm-3，板材幅面為300mm×300 mm×10 mm。在板材制備中，采用的3種膠黏劑分別為脲醛樹脂膠黏劑、酚醛樹脂膠黏劑和異氰酸酯膠黏劑。這3種膠黏劑采用的制備工藝具體如下：以脲醛樹脂為膠黏劑制備刨花板時，制板工藝參數為熱壓溫度為150℃，熱壓時間30 s·mm-1，施膠量12%；以酚醛樹脂為膠黏劑時，制板工藝參數為熱壓溫度為150℃，熱壓時間50 s·mm-1，施膠量10%；以異氰酸酯為膠黏劑時，制板工藝參數為熱壓溫度為150℃，熱壓時間30 s·mm-1，施膠量5%；同一實驗條件下重復進行3次，每次實驗均按照相關標準進行性能測試，測試結果取3次平行實驗的平均值。

1.3 性能測試

力學性能：按照國家標準GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》進行力學性能測試；測試結果見表1所示。

燃燒性能：按國家標準GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指數法測定燃燒行為第二部分：室溫試驗》和國家標準GB/T 8627-2007《建筑材料燃燒或分解的煙密度試驗方法》分別進行板材氧指數和煙密度的測試；測試結果見表2～5所示。

表1 不同膠黏劑和阻燃劑制備的刨花板的物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of particle board panel with different resin and fire retardantagents

2 結果與分析

2.1 膠黏劑對板材物理力學性能的影響

在利用不同膠黏劑制備阻燃刨花板時，當以酚醛樹脂為膠黏劑時，在刨花板中添加入阻燃劑FR-C時，板材會爆板，無法壓制出合格的板材。所以，當阻燃劑為FR-C時，只有脲醛樹脂和異氰酸酯膠黏劑2種板材。由表1可知：在刨花板中添加阻燃劑FR-A，FR-B和FR-C后，利用3種膠黏劑制備的工業大麻桿刨花板和木質刨花板的靜曲強度（MOR）和內結合強度（IB）均降低，但除了利用異氰酸酯膠黏劑制備的木質刨花板外，其余刨花板靜曲強度和彈性模量均可滿足國家普通刨花板的標準要求（IB≥0.28，MOR≥12.5）。在利用脲醛樹脂為膠黏劑制備刨花板時，當在板材中添加阻燃劑FR-A，FR-B和FR-C時，板材的彈性模量均降低；在利用酚醛樹脂為膠黏劑制備刨花板時，當在板材中添加阻燃劑FR-A時，板材的彈性模量降低，而在板材中添加阻燃劑FR-B時，板材的彈性模量略有增加，并且工業大麻稈刨花板和木質刨花板的變化趨勢一致；在利用異氰酸酯為膠黏劑制備刨花板時，在板材中添加3種阻燃劑后，板材的彈性模量均增加。可見，阻燃劑會對利用不同膠黏劑制備的刨花板的物理力學性能產生不同影響，可能在阻燃劑和異氰酸酯膠黏劑之間存在著一定的協同作用，但作用機理還有待進一步進行研究。在利用脲醛樹脂和酚醛樹脂為膠黏劑時，在板材中加入阻燃劑后，板材的吸水厚度膨脹率增加，均不能滿足國家普通刨花板對吸水厚度膨脹率的標準要求（TS≤8%）；而在利用異氰酸酯為膠黏劑時，當加入阻燃劑FR-A和FR-B后，板材的吸水厚度膨脹率減小，而當加入阻燃劑FR-C后，板材的吸水厚度膨脹率增加。進一步說明，阻燃劑和異氰酸酯膠黏劑之間存在著一定的協同作用，具體的作用機理有待進一步進行研究。下面將進一步分析不同膠黏劑對利用不同阻燃劑制備的刨花板阻燃性能的影響，以進一步確定膠黏劑和阻燃劑對刨花板阻燃性能的影響，并確定出最佳的刨花板制備工藝。

2.2 膠黏劑對板材燃燒性能的影響

根據國家標準GB 8624-1997《建筑材料燃燒性分級方法》的標準要求，若建筑材料需要通過B1級檢測時，氧指數和煙密度等級必須同時滿足下列條件：氧指數（IOI）≥32，煙密度等級（RSDR）≤75。下面將具體分析3種膠黏劑對利用3種阻燃劑、2種木質原料制備的刨花板的燃燒性能的影響，以確定膠黏劑、阻燃劑對刨花板阻燃性能的影響，為制備性能優異的阻燃劑和刨花板奠定基礎。

由表2可得：工業大麻稈和木材均是易燃材料，在無添加阻燃劑和膠黏劑時，非常容易燃燒所以無法計算其煙密度等級，而在空氣中就可以燃燒，其氧指數即為空氣中氧氣的濃度，約21%；在利用3種膠黏劑制備工業大麻稈刨花板、不添加阻燃劑時，以酚醛樹脂為膠黏劑制備刨花板時，板材的煙密度等級最小，氧指數最大即略高于利用脲醛樹脂為膠黏劑制備的刨花板的氧指數，而利用異氰酸酯為膠黏劑時板材的氧指數最小。在利用3種膠黏劑制備木質刨花板時，以酚醛樹脂為膠黏劑制備刨花板時，板材的煙密度等級最小；氧指數要低于利用脲醛樹脂和異氰酸酯制備的刨花板的氧指數?？梢?，當利用不同膠黏劑制備刨花板時，板材的燃燒性能不僅受到膠黏劑種類的影響，還受到了木質原料種類的影響；當木質原料相同時，膠黏劑對板材發煙性具有顯著的影響而對板材阻燃性的影響不明顯；在未添加阻燃劑的條件下，酚醛樹脂的抑煙性能最好，異氰酸酯膠黏劑次之，脲醛樹脂膠黏劑最差。此外，所有樣品的煙密度曲線均隨測試時間的延長而增加，即當測試結束時其煙密度達到最大值，該值為最大煙密度。

表2 膠黏劑對空白刨花板燃燒性能的影響Table 2 Flammability of particle board panelswithout fire retardant agents

由表3可得：當在刨花板中添加阻燃劑FR-A后，利用脲醛樹脂和酚醛樹脂膠黏劑制備的刨花板的煙密度等級均降低，脲醛樹脂刨花板的煙密度為空白板的67.05%～78.95%，酚醛樹脂膠黏劑刨花板的煙密度為空白板的27.8%～47.58%；而利用異氰酸酯制備的工業大麻稈刨花板和木質刨花板的煙密度增加，為空白刨花板的108.74%～123.12%；進一步說明異氰酸酯膠黏劑和阻燃劑之間出現了協同作用，并且這種作用會增加刨花板材的發煙量。與此同時，利用3種膠黏劑制備的刨花板的氧指數均增大，當利用異氰酸酯為膠黏劑時，板材的氧指數最大；利用酚醛樹脂為膠黏劑時，板材的氧指數最??；與空白刨花板相比，脲醛樹脂刨花板的氧指數變化幅度為148.51%～153.20%，酚醛樹脂膠黏劑刨花板的氧指數變化幅度為123.95%～136.89%，異氰酸酯刨花板的氧指數變化幅度為158.48%～163.24%即異氰酸酯有利于提高板材的阻燃性能。

表3 膠黏劑對FR-A阻燃刨花板燃燒性能的影響Table 3 Flammability of particle board panelswith FR-A type fire retardant agents

由表4可得：當在板材中添加阻燃劑FR-B后，利用脲醛樹脂制備的刨花板的煙密度等級略有降低，為空白板的94.98%～96.50%；酚醛樹脂膠黏劑制備的刨花板的煙密度顯著降低，為空白板的60.58%～87.53%；而利用異氰酸酯制備的刨花板的煙密度則顯著增加，為空白刨花板的143.82%～158.29%。利用3種膠黏劑制備的刨花板的氧指數均增加，但增加的幅度主要取決于膠黏劑的種類和原料種類，異氰酸酯制備的刨花板的氧指數最大；與空白刨花板相比，脲醛樹脂刨花板的氧指數變化幅度為129.36%～145.28%，酚醛樹脂膠黏劑刨花板的氧指數變化幅度為126.05%～142.62%，異氰酸酯刨花板的氧指數變化幅度為153.13%～155.34%。即酚醛樹脂膠黏劑可有效的降低板材的發煙量并顯著提高板材的阻燃性能。

表4 膠黏劑對FR-B阻燃刨花板燃燒性能的影響Table 4 Flammability of particle board panelswith FR-B type fire retardantagents

當在板材中添加阻燃劑FR-C時，利用酚醛樹脂膠黏劑為膠黏劑制備刨花板時，會釋放出大量的氨氣，造成了產品的分層和鼓泡，不會壓制出合格的板材，所以在板材制備中只討論了脲醛樹脂和異氰酸酯2種膠黏劑對刨花板燃燒性能的影響（表5）。利用異氰酸酯制備的刨花板的煙密度等級和氧指數要高于利用脲醛樹脂為膠黏劑制備的刨花板的煙密度等級和氧指數；異氰酸酯刨花板的煙密度等級和氧指數分別為空白板的171.22%～203.04%和137.50%～163.24%；脲醛樹脂刨花板的煙密度等級和氧指數分別為空白板的77.87%～103.64%和124.68%～152.83%。結果和在板材中添加阻燃劑FR-A和FR-B一致，但和不添加阻燃劑的空白刨花板不一致，進一步說明異氰酸酯膠黏劑和阻燃劑之間存在一定的協同作用，但這種作用過程和反應機制將在今后進一步進行研究。

表5 膠黏劑對FR-C阻燃刨花板燃燒性能測影響Table 5 Flammability of particle board panelswith FR-C type fire retardant agents

3 結論

不同的原料、膠黏劑和阻燃劑會對刨花板的物理力學性能、燃燒性能產生不同的影響；添加阻燃劑后利用脲醛樹脂、酚醛樹脂膠黏劑為膠黏劑制備的刨花板大多數物理力學性能指標都被降低，而異氰酸酯膠黏劑刨花板的彈性模量均得到了提高。在不添加阻燃劑的情況下，酚醛樹脂膠黏劑和異氰酸酯膠黏劑刨花板的煙密度小于脲醛樹脂刨花板的煙密度，而氧指數則無明顯差異。在添加阻燃劑后，酚醛樹脂膠黏劑具有很好的抑煙效果，但阻燃效果較差；異氰酸酯膠黏劑具有很好的阻燃效果但會增加刨花板材中的發煙量；脲醛樹脂刨花板具有一定的阻燃作用，但因阻燃劑種類的不同，煙密度具有不同的變化趨勢。原因可能是木質原料具有不同的物理結構，對阻燃劑具有不同的吸附作用；阻燃劑與膠黏劑之間存在著協同作用，可能是阻燃劑的某些化學成分可以與膠黏劑發生化學反應，但需要進一步進行驗證和分析。將進一步對阻燃劑與膠黏劑之間的作用機制以及阻燃劑和膠黏劑對板材燃燒氣體排放的種類和煙氣毒性進行研究，以制備出阻燃、抑煙效果均優并可以保留板材物理力學性能的阻燃劑。

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Flammabilityofparticleboard panelingusing resinsand fire retardants

LIXiaoping，WU Zhangkang，ZOU Quan，ZHANG Qingwei
（Yunnan Key Laboratory of Wood Adhesives and Glue Products，Southwest Forestry University，Kunming 650224，Yunnan，China）

To produce wood based particleboard panelswith favorable fire retardant properties，the influence of three different fire retardant agents and resins（phenol formaldehyde（PF）；4，4-diphenyl-methane diisocyanate（MDI）；and urea formaldehyde（UF）on the physical，mechanical，and flammability properties of particleboard panelswas studied.Results showed thatafter fire retardantswere added to the particleboard panels，most of the mechanical and physical properties of the panels decreased，but themodulus of elasticity（MOE）of the panels with MDI significantly improved（P=0.002）.The PF resin reduced smoke density，but did not improve the flame-retardant property；whereas，the MDI resin increased the flame-retardant property，but also increased smoke density.For panelswith flame-retardant agents，smoke density and OIof panels with UF were 77.86%-103.64%but without flame-retardant agents were 124.68%-153.21%.For panels with flame-retardant agents，smoke density and OI of panels with PF resin were 27.80%-87.53%，but without flame-retardant agents were 123.95%-142.60%.The smoke density and OIof panelswith MDIand flame-retardant agentswere 108.75%-203.04%，but without flame-retardant agents were 137.50%-163.24%.Since a favorable combination of reduced smoke density and improved flame-retardant properties was not obtained more research should be con-ducted in this area.［Ch，1 fig.5 tab.12 ref.］

forest engineering；particle board panels；oxygen index；smoke density；different resin types；different fire retardants types

S782.39；TS653

A

2095-0756（2014）05-0739-06

2013-07-04；

2014-03-17

國家自然科學基金資助項目（31060098，31200437）；云南省科學技術面上項目（2010CD064）；云南省教育廳重點項目（2013Z085）

李曉平，副教授，博士，從事生物質復合材料研究。E-mail：lxp810525@163.com。通信作者：吳章康，教授，博士，從事生物質復合材料研究。E-mail：zhangkangw@aliyun.com