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刨花板是中国重要的人造板品种之一。2000年以来,中国就成为世界上重要的人造板生产大国。目前,刨花板被普遍应用于家具制造、室内装饰和包装材料等领域。当刨花板应用于室内装修和家具制造等室内场合时,如果一旦发生火灾,这些木质材料则为加速和扩大火灾埋下隐患,因此不经过阻燃处理的木质材料被列为可燃性木质材料[1]。为了提高刨花板的应用价值,提高该材料的阻燃性,世界上有很多科研工作者都对阻燃刨花板的性能和开发进行了研究[2-4]。这些研究包括阻燃刨花板的制备工艺、产品性能、原料开发和新产品制备等[5]。在中国高楼林立的大中型城市,一旦发生火灾,造成的人员伤亡将不可估量,所以在中国生产研究低毒、持久和环保的阻燃型人造板将具有尤为重要的现实意义。在前人对阻燃刨花板进行研究和开发以及笔者对阻燃胶合板制备和工业化研究[6-7]的基础上,本研究选取了3种不同的阻燃剂,2种不同的木质原料——木质刨花和工业大麻秆刨花和3种不同的胶黏剂——脲醛树脂胶黏剂(UF),酚醛树脂胶黏剂(DF)和异氰酸酯胶黏剂(MDI)来制备阻燃刨花板。本研究所采用的工业大麻Cannabis sativa是一种供工业利用的大麻品种,其结构和纤维形态是类似于阔叶材的低密度非木质材料[8-9],纤维细胞壁的力学性能较其他农作物秸秆、针叶材和阔叶材纤维细胞壁的力学性能要低[10];可用于制备轻质高强的结构材料和刨花板[11-12]。本研究将进一步分析利用工业大麻秆制备的阻燃刨花板与木质阻燃刨花板之间的性能差异,为制备出阻燃性能优良的刨花板奠定基础。
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木质原料:本实验中分别采用木质刨花(80%云南松Pinus yunnanensis和20%其他杂木)和工业大麻秆刨花为原料,来制备刨花板。木质刨花由新飞林人造板有限公司提供;工业大麻秆刨花采用产于云南的工业大麻秆刨花作为实验材料,由云南省农业科学研究院提供,刨花为自制刨花。测氧指数时,2种原料在不增加氧气,即空气中的含氧量就可以导致材料燃烧;另外测烟密度时,材料很容易燃烧,无法计算烟密度。
胶黏剂:本实验中所采用的胶黏剂为脲醛树脂胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂和异氰酸脂胶黏剂等3种。脲醛树脂胶黏剂:由新飞林人造板股份有限公司提供,性能指标分别为黏度(30)30~32 s(4#涂料杯),pH 9.0,固体含量为60%~61%,游离甲醛含量2.5 g·kg-1;氯化铵黏(NH4Cl)为脲醛树脂胶固化剂,市购,分析纯;酚醛树脂胶黏剂(PF):自制,固含量51%~53%,棕红色;异氰酸酯胶黏剂:市购,固含量为100%,褐色。
阻燃剂:试验中共采用3种阻燃剂,分别为无机阻燃剂(FR-A),有机阻燃剂(FR-B)和聚磷酸铵阻燃剂(FR-C)。FR-A为无机型阻燃剂,其主要化学成分为硼酸、硼砂等;FR-B为有机型阻燃剂,其主要化学成分为磷酸铵、硫酸铵等;FR-C阻燃剂的主要成分为聚磷酸铵,详见参考文献[8]。
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采用单因素法进行,阻燃刨花板的工艺流程见图 1所示。
刨花阻燃处理:将3种阻燃剂制成质量分数为12%的溶液,利用喷枪均匀的施加到刨花中,阻燃剂的添加量为绝干刨花的10%;再将刨花置于70 ℃的恒温烘箱中烘至含水率为3%~5%。
板材制备:板材厚度为10 mm,目标密度0.70 g·cm-3,板材幅面为300 mm × 300 mm × 10 mm。在板材制备中,采用的3种胶黏剂分别为脲醛树脂胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂和异氰酸酯胶黏剂。这3种胶黏剂采用的制备工艺具体如下:以脲醛树脂为胶黏剂制备刨花板时,制板工艺参数为热压温度为150 ℃,热压时间30 s·mm-1,施胶量12%;以酚醛树脂为胶黏剂时,制板工艺参数为热压温度为150 ℃,热压时间50 s·mm-1,施胶量10%;以异氰酸酯为胶黏剂时,制板工艺参数为热压温度为150 ℃,热压时间30 s·mm-1,施胶量5%;同一实验条件下重复进行3次,每次实验均按照相关标准进行性能测试,测试结果取3次平行实验的平均值。
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力学性能:按照国家标准GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行力学性能测试;测试结果见表 1所示。
表 1 不同胶黏剂和阻燃剂制备的刨花板的物理力学性能
Table 1. Physical and mechanical properties of particle board panel with different resin and fire retardant agents
原料 序号 阻燃剂 胶黏剂 弹性模量/MPa 抗折强度/MPa 内结合强度/MPa Ts/% 1 FR-A 1 523 15.14 0.67 45.76 2 FR-B 脲醛树脂 1 430 16.18 0.54 31.18 3 FR-C 1 408 14.24 0.53 68.54 4 空白 1 940 18.05 1.12 23.78 5 FR-A 1 432 12.53 0.29 112.99 工业大麻秆 6 FR-B 酚醛树脂胶黏剂 1 800 14.94 0.35 69.57 7 空白 1 815 15.14 0.54 70.66 8 FR-A 1 816 15.86 0.46 10.80 9 FR-B 异氰酸酯胶黏剂 1 853 16.77 0.50 6.90 10 FR-C 1 533 12.99 0.28 17.58 11 空白 1 026 19.22 0.58 10.05 12 FR-A 1 040 12.68 0.41 39.14 13 FR-B 脲醛树脂 1 351 17.71 0.53 23.54 14 FR-C 1 217 15.57 0.4 52.83 15 空白 1 812 23.12 1.05 22.42 16 FR-A 1 339 12.58 0.41 49.14 木质材料 17 FR-B 酚醛树脂胶黏剂 1 865 15.51 0.32 63.42 18 空白 1 733 12.53 0.47 55.14 19 FR-A 1 158 7.44 0.66 7.73 20 FR-B 异氰酸酯胶黏剂 1 774 16.98 0.67 11.19 21 FR-C 1 216 15.15 0.54 11.13 22 空白 928 18.47 1.21 11.94 国家标准 12.50 0.28 8.00 国家标准 1 800 14.00 0.35 8.00 燃烧性能:按国家标准GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为第二部分:室温试验》和国家标准GB/T 8627-2007《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》分别进行板材氧指数和烟密度的测试;测试结果见表 2~5所示。
表 2 胶黏剂对空白刨花板燃烧性能的影响
Table 2. Flammability of particle board panels without fire retardant agents
原料 阻燃剂 胶黏剂 最大烟密度/% 烟密度等级/%) 氧指数/% 无 21.0 工业大麻秆 脲醛树脂 35.64 17.53 23.5 酚醛树脂胶黏剂 39.96 11.11 23.8 无 异氰酸酯胶黏剂 36.93 13.83 22.4 木材 无 21.0 脲醛树脂 39.39 21.70 26.5 酚醛树脂胶黏剂 27.63 7.86 24.4 异氰酸酯胶黏剂 51.04 13.45 25.3 表 3 胶黏剂对FR-A阻燃刨花板燃烧性能的影响
Table 3. Flammability of particle board panels with FR-A type fire retardant agents
原料 阻燃剂 胶黏剂 最大烟密度/% 烟密度等级/% 氧指数/% 脲醛树脂 26.66 13.84 34.9 工业大麻秆 酚醛树脂胶黏剂 9.10 3.09 29.5 异氰酸酯胶黏剂 28.17 15.04 35.5 FR-A 脲醛树脂 26.31 14.55 40.6 木材 酚醛树脂胶黏剂 7.31 3.74 33.4 异氰酸酯胶黏剂 32.71 16.56 41.3 表 4 胶黏剂对FR-B阻燃刨花板燃烧性能的影响
Table 4. Flammability of particle board panels with FR-B type fire retardant agents
原料 阻燃剂 胶黏剂 最大烟密度/% 烟密度等级/% 氧指数/% 脲醛树脂 35.35 16.65 30.4 工业大麻秆 酚醛树脂胶黏剂 16.87 6.73 30.0 异氰酸酯胶黏剂 43.08 19.89 34.3 FR-B 脲醛树脂 27.62 20.94 38.5 木材 酚醛树脂胶黏剂 23.99 6.88 34.8 异氰酸酯胶黏剂 40.34 21.29 39.3 表 5 胶黏剂对FR-C阻燃刨花板燃烧性能测影响
Table 5. Flammability of particle board panels with FR-c type fire retardant agents
原料 阻燃剂 胶黏剂 最大烟密度/% 烟密度等级/% 氧指数/% 工业大麻秆 脲醛树脂 32.47 13.65 29.3 FR-C 异氰酸酯胶黏剂 44.43 23.68 30.8 木材 脲醛树脂 41.96 22.49 40.5 异氰酸酯胶黏剂 50.79 27.31 41.3
Flammability of particleboard paneling using resins and fire retardants
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摘要: 为了研究出一种阻燃性能良好的阻燃刨花板, 分析了3种不同胶黏剂和阻燃剂对刨花板物理力学性能和燃烧性能的影响。结果表明:不同的胶黏剂种类对刨花板的各项性能具有显著的影响, 在添加阻燃剂后多数刨花板的物理力学性能下降, 仅异氰酸酯胶黏剂(MDI)刨花板的弹性模量(MOE)显著提高(P=0.002)。在添加阻燃剂前酚醛树脂胶黏剂(PF)和MDI均具有良好的抑烟作用; 添加阻燃剂后, PF的抑烟作用增强, 但不利于提高板材的阻燃性能; 而MDI的发烟量增加, 却可以显著地提高板材的阻燃性能。添加阻燃剂后, 脲醛树脂胶黏剂(UF)刨花板的烟密度等级和氧指数分别是空白刨花板的77.86%~103.64%和124.68%~153.21%;PF刨花板的烟密度等级和氧指数是空白刨花板的27.8%~87.53%和123.95%~142.6%;而MDI刨花板的烟密度等级和氧指数是空白刨花板的108.75%~203.04%和137.5%~163.24%。总之, PF具有优异的抑烟性能但阻燃性能一般, MDI具有很好的阻燃性能但会增加板材的发烟量, 可进一步在研究阻燃剂与胶黏剂之间作用机制基础上开发出一种阻燃抑烟性能优良的阻燃剂或制备出阻燃性能优异的刨花板。Abstract: To produce wood based particleboard panels with 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 panels was studied. Results showed that after fire retardants were added to the particleboard panels, most of the mechanical and physical properties of the panels decreased, but the modulus 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 panels with flame-retardant agents, smoke density and OI of 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 OI of panels with MDI and flame-retardant agents were 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 conducted in this area.
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表 1 不同胶黏剂和阻燃剂制备的刨花板的物理力学性能
Table 1. Physical and mechanical properties of particle board panel with different resin and fire retardant agents
原料 序号 阻燃剂 胶黏剂 弹性模量/MPa 抗折强度/MPa 内结合强度/MPa Ts/% 1 FR-A 1 523 15.14 0.67 45.76 2 FR-B 脲醛树脂 1 430 16.18 0.54 31.18 3 FR-C 1 408 14.24 0.53 68.54 4 空白 1 940 18.05 1.12 23.78 5 FR-A 1 432 12.53 0.29 112.99 工业大麻秆 6 FR-B 酚醛树脂胶黏剂 1 800 14.94 0.35 69.57 7 空白 1 815 15.14 0.54 70.66 8 FR-A 1 816 15.86 0.46 10.80 9 FR-B 异氰酸酯胶黏剂 1 853 16.77 0.50 6.90 10 FR-C 1 533 12.99 0.28 17.58 11 空白 1 026 19.22 0.58 10.05 12 FR-A 1 040 12.68 0.41 39.14 13 FR-B 脲醛树脂 1 351 17.71 0.53 23.54 14 FR-C 1 217 15.57 0.4 52.83 15 空白 1 812 23.12 1.05 22.42 16 FR-A 1 339 12.58 0.41 49.14 木质材料 17 FR-B 酚醛树脂胶黏剂 1 865 15.51 0.32 63.42 18 空白 1 733 12.53 0.47 55.14 19 FR-A 1 158 7.44 0.66 7.73 20 FR-B 异氰酸酯胶黏剂 1 774 16.98 0.67 11.19 21 FR-C 1 216 15.15 0.54 11.13 22 空白 928 18.47 1.21 11.94 国家标准 12.50 0.28 8.00 国家标准 1 800 14.00 0.35 8.00 表 2 胶黏剂对空白刨花板燃烧性能的影响
Table 2. Flammability of particle board panels without fire retardant agents
原料 阻燃剂 胶黏剂 最大烟密度/% 烟密度等级/%) 氧指数/% 无 21.0 工业大麻秆 脲醛树脂 35.64 17.53 23.5 酚醛树脂胶黏剂 39.96 11.11 23.8 无 异氰酸酯胶黏剂 36.93 13.83 22.4 木材 无 21.0 脲醛树脂 39.39 21.70 26.5 酚醛树脂胶黏剂 27.63 7.86 24.4 异氰酸酯胶黏剂 51.04 13.45 25.3 表 3 胶黏剂对FR-A阻燃刨花板燃烧性能的影响
Table 3. Flammability of particle board panels with FR-A type fire retardant agents
原料 阻燃剂 胶黏剂 最大烟密度/% 烟密度等级/% 氧指数/% 脲醛树脂 26.66 13.84 34.9 工业大麻秆 酚醛树脂胶黏剂 9.10 3.09 29.5 异氰酸酯胶黏剂 28.17 15.04 35.5 FR-A 脲醛树脂 26.31 14.55 40.6 木材 酚醛树脂胶黏剂 7.31 3.74 33.4 异氰酸酯胶黏剂 32.71 16.56 41.3 表 4 胶黏剂对FR-B阻燃刨花板燃烧性能的影响
Table 4. Flammability of particle board panels with FR-B type fire retardant agents
原料 阻燃剂 胶黏剂 最大烟密度/% 烟密度等级/% 氧指数/% 脲醛树脂 35.35 16.65 30.4 工业大麻秆 酚醛树脂胶黏剂 16.87 6.73 30.0 异氰酸酯胶黏剂 43.08 19.89 34.3 FR-B 脲醛树脂 27.62 20.94 38.5 木材 酚醛树脂胶黏剂 23.99 6.88 34.8 异氰酸酯胶黏剂 40.34 21.29 39.3 表 5 胶黏剂对FR-C阻燃刨花板燃烧性能测影响
Table 5. Flammability of particle board panels with FR-c type fire retardant agents
原料 阻燃剂 胶黏剂 最大烟密度/% 烟密度等级/% 氧指数/% 工业大麻秆 脲醛树脂 32.47 13.65 29.3 FR-C 异氰酸酯胶黏剂 44.43 23.68 30.8 木材 脲醛树脂 41.96 22.49 40.5 异氰酸酯胶黏剂 50.79 27.31 41.3 -
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.2014.05.012