阻燃刨切薄竹的热重分析

李延军，徐世克，杜兰星，余肖红，魏 涛，刘红征

（1. 浙江农林大学工程学院，浙江 临安 311300；2. 浙江大庄实业集团有限公司，浙江 杭州 311200）

随着经济的发展和人民生活水平的提高，将珍贵树种木材制成的薄木贴在人造板表面作为装饰已成为时尚。然而，随着珍贵树种木材产量逐渐减少，薄木的价格越来越高，开发新的类似木材性能的微薄竹贴面装饰材料就具有重要的现实意义[1]。刨切薄竹具有特殊的纹理和清新自然、真实淡雅的质感，深受用户青睐，在欧、美等国家尤其受到欢迎，可部分代替珍贵木材单板，用作家具、地板等的装饰装修材料[2]。目前刨切薄竹产品不仅在欧美广受青睐，而且在国内也有较大的发展市场。

木材阻燃理论主要有 4种，即覆盖理论、气体理论、热理论和化学理论[3]。热分析法为评价木材及木质人造板的阻燃性能和研究阻燃机理提供了有效的手段[4]。热分析技术包括热重分析（TG）、差热分析（DTA）、差示扫描量热法（DSC）以及热机械分析法等方法[5～7]。本文利用磷酸氢二铵[(NH4)2HPO3]和硼砂（Na2B4O7·10H2O）处理刨切薄竹，并且采用热重分析仪研究阻燃刨切薄竹的热解性能，探究阻燃刨切薄竹的阻燃机理，为阻燃刨切薄竹的实际生产提供理论依据，拓展刨切薄竹的应用范围。

1 材料与方法

1.1 实验材料

刨切薄竹：取自浙江森瑞竹木业有限公司，单面贴无纺布，厚0.6 mm，裁剪成10 cm×10 cm（长×宽）的试样。

阻燃剂：南京奥佳化工有限公司生产的磷酸氢二铵（分析纯）和硼砂（分析纯），按4：1（质量）组成。

1.2 实验方法

1.2.1 阻燃处理 将刨切薄竹浸渍不同浓度阻燃剂，沥干后计算载药量Q，载药量计算公式：

式中，m1为试样浸渍前的质量，m2为试样浸渍后的质量，n为浸渍液浓度。

选取载药量为3%，4%，7%的阻燃刨切薄竹用于热重实验。

1.2.2 热重实验 德国耐驰公司STA409PC热分析仪，主要技术指标：温度范围室温至1 550℃；灵敏度4.0 ～ 4.5 μV/mW；样品最大质量18 g；同步热分析方法（DTA/DSC-TG）：将热重分析TG与差热分析DTA或差示量热扫描DSC结合为一体，在同一次测量中利用同一样品可同步得到热重于差热信息。

将阻燃刨切薄竹在50℃下烘至恒重，利用手工钢锯制成粉末，研磨，通过60 ～ 80目筛，用于热重实验。热重实验条件为：试验在程序控制的持续线性升温的氮气气氛中进行，氮气流量20 mL/min，升温速率20℃/min，热解温度范围23 ～ 800℃，样品用量10 mg，参比物为α-Al2O3。

2 结果与分析

在热分析仪上测定未阻燃处理刨切薄竹和阻燃处理不同载药量薄竹的TG和DTG曲线，如图1所示。阻燃薄竹的DTG曲线特征值见表1。

从图1可以看出，无论是未处理刨切薄竹还是阻燃刨切薄竹的TG和DTG曲线都具有相似的变化规律。与木材的热解过程相似，薄竹的热解过程大致可分为4个阶段[3]：①失水干燥。在约50℃时开始发生失重，失重量6% ～ 7%，与薄竹中的含水率相当。该过程主要是竹材组织吸着水分受热蒸发过程，为吸热过程；②预炭化阶段。该阶段的热解失重很小，此时薄竹受热分解的速度变缓，竹材中的半纤维素和纤维素等组分逐渐分解放出CO2、CO、CH4、CH3OH、CH3COOH等；③炭化阶段。在约200℃开始发生明显的失重，235 ～ 380℃有一个失重速率和失重百分比均很大的失重过程。该区间曲线长而陡，是热分解产生重量损失的主要阶段。由预炭化阶段生成的可燃性气体着火，出现有焰燃烧。TG曲线减量在47% ～ 60%；④煅烧阶段。该区间曲线变缓，木材的失重率逐渐减少，热解失重达到最大并保持不再失重，在DTG曲线上更加清楚地表现出来。这时的可燃气体已经很少，因而由有焰燃烧转变为无焰燃烧。

图1 不同载药率刨切薄竹的TG曲线和DTG曲线Figure 1 Curve of TG and DTG of sliced bamboo veneer with different drug loading

由图1可见，不同阻燃剂载药量对刨切薄竹的热解过程会产生影响，热重曲线也有很大不同。从TG曲线比较可以看出，在失水干燥阶段，未处理刨切薄竹和阻燃刨切薄竹曲线基本相同。阻燃处理的刨切薄竹分解起始温度和最大质量损失速率时所对应的温度均比未处理薄竹低。

表1 阻燃刨切薄竹的DTG曲线特征值Table 1 Characteristics of DTG curves

由表1可知，未阻燃处理薄竹的分解起始温度为232℃，最大质量损失时对应的温度为357.9℃；阻燃处理薄竹分解起始温度为210℃左右，载药量3%，4%，7%的阻燃刨切薄竹的最大质量损失时对应的温度分别为349.6、353.1、343.3℃。且阻燃刨切薄竹在23 ～ 130℃温度区间还有部分热解，失重率约为5%。由于纤维素的热分解途径为：大于 250℃时，发生剧烈的吸热反应，生成焦油，进一步发生放热和吸热反应，产生可燃气体；小于250℃时反应缓慢，发生少量的吸热反应，生成脱水纤维素，进一步发生放热反应，生成炭、CO2、H2O、CO。因此，热分解起始温度降低，可减少可燃性气体的生成，同时促进竹材的脱水炭化。

从失重达到平衡状态后的成炭率来看，未处理的刨切薄竹成炭率约为17.9%，由表1可以看出，未阻燃薄竹的残余质量分数为17.96%，载药量3%、4%、7%的残余质量分数分别为23.75%、25.54%、27.4%，其残余质量分数分别比未阻燃薄竹增加了 32.2%、41.98%、52.56%，说明利用本阻燃剂处理的薄竹阻燃效果明显，并且随着载药率的增加阻燃性能也相对增加。成炭率提高，成炭量的增加说明挥发物减少，炭化程度提高。因为通常有焰燃烧对火势蔓延起着决定性作用，通过增加炭产量，从而减少可燃性挥发物的生成，有可能抑制有焰燃烧。所以，阻燃的产炭量增加理论认为：产炭量可以作为阻燃效果的评价标准。产炭量越高，阻燃剂的有效性越好。

3 结论

（1）与未阻燃刨切薄竹相比，经磷酸氢二铵和硼砂复配的阻燃剂处理后的刨切薄竹具有较好的热稳定性。未阻燃薄竹的残余质量分数17.96%，载药量3%、4%、7%的残余质量分数分别为23.75%、25.54%、27.4%，残余质量分数分别增加了 32.2%、41.98%、52.56%。阻燃刨切薄竹的质量损失率明显减小，成炭率也有了较大的提高。随着刨切薄竹载药量的增加，阻燃效果也越明显。

（2）阻燃刨切薄竹的热解起始温度相对未阻燃处理刨切薄竹提前，说明阻燃处理促使薄竹提前热解，释放出难燃气体，同时可减少可燃性挥发产物的生成，能有效延缓火势蔓延，促进薄竹向成炭的方向燃烧。

[1] 李延军，刘志坤，杜春贵，等. 浅谈刨切微薄竹的开发与应用[J]. 木材加工机械，2003（5）：25-26.

[2] 李延军，杜春贵，鲍滨福，等. 大幅面刨切微薄竹的生产工艺[J]. 木材工业，2006，20（4）：38-40.

[3] 李坚. 木材科学新篇[M]. 哈尔滨：东北林业大学出版社，1991. 122-138.

[4] 刘迎涛，李坚，王清文. FRW阻燃中密度纤维板的热性能分析[J]. 东北林业大学学报，2006，34（5）：61-62.

[5] 胡源，李纯，时虎. 热分析技术在阻燃材料研究中的应用[J]. 火灾科学，1999，8（1）：74-77.

[6] 陈镜宏. 热分析及其应用[M]. 北京: 科学出版社, 1985.

[7] BairH E. Thermal Analysis in Polymer Characterization[M]. A Ed Turi, Heyden, 1981.