阻燃毛竹重组竹地板的阻燃特性*

杜春贵 余辉龙 周中玺 姚潇翎 黄秋丽

近年来，由于大量可燃性材料用于高层建筑的装修装饰，导致建筑发生火灾的频次增加，由此造成的人员伤亡和财产损失呈现递增趋势[1,2]，因而研发阻燃材料十分必要。重组竹作为当前我国竹材工业的一种主流品种[3]，已在建筑和装饰装修等领域得到较多的应用。但重组竹属于可燃材料，为预防火灾隐患的滋生，预防和减少火灾的危害，研制阻燃重组竹具有十分重要的现实意义。目前，有一些学者进行了阻燃竹质材料的研究[4-10]，但有关阻燃重组竹的研究仅见阻燃慈竹重组竹燃烧性能[9]的报道，尚未见阻燃毛竹重组竹阻燃特性的研究报道。此外，现有的竹质材料阻燃研究仍停留于实验室研究，还未见生产性试验研究的报道；在阻燃性能研究中也未见探讨胶黏剂的作用；而且有些阻燃剂价格贵，难以在企业推广应用。为此，笔者在前期进行的重组竹阻燃处理工艺和阻燃剂施加方法对其物理力学性能影响等研究[11-13]的基础上，选用具有阻燃性能优良、价格便宜等特点的水基型无机阻燃剂为原料，采用具有投资小、操作方便等特点的常压浸渍法，在重组竹生产企业进行了阻燃和未阻燃处理毛竹重组竹地板的生产性试验，并研究了重组竹地板的阻燃特性，可为重组竹在建筑领域的广泛应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

竹束：毛竹炭化竹束，长度为1 930 mm，含水率8%～10%。胶黏剂：水溶性酚醛树脂胶黏剂，固含量为48%～50%，pH值10.50，加水稀释至固含量为24%～26%。阻燃剂配料：磷酸氢二铵（工业级），含量≥99%；硼酸（工业级），含量≥99%。

1.2 复配阻燃剂的制备

按照m（磷酸氢二铵）∶m（硼酸）＝6∶4的比例（前期实验室研究确定的较佳配比）制备质量分数为20%的复配阻燃剂水溶液。将称好的磷酸氢二铵加入到温度为70～80 ℃的反应釜中，搅拌20～40 min后加入硼酸，持续搅拌和反应60～90 min后，冷却至30～40 ℃时卸料，并贮存。

1.3 阻燃和未阻燃处理重组竹地板的制备

采用冷固化法制备阻燃重组竹地板,其工艺如下：1）将长度为1 930 mm的毛竹炭化竹束放入盛有质量分数为20%复配阻燃剂的池子中，在常压下浸渍处理2 h后取出滴干，之后送入链式干燥机中将阻燃浸渍处理后的竹束干燥至含水率8%～10%；2）阻燃竹束装入浸胶笼中，之后置于浸胶池中浸渍固含量为24%～26%的酚醛树脂胶黏剂8～10 min，浸胶过程中用比重计测试胶液比重的变化，并不断调整使其保持在1.06左右，浸胶竹束经滴胶后在链式干燥机中干燥至含水率12%～15%；3）将干燥后的阻燃浸胶竹束顺纹组坯于模具中，在冷压机中压制成竹方材，之后将竹方材送入热固化窑中，在125 ℃左右温度下固化11～12 h；4）将固化好的竹方材自然放置2周，之后开片制得未涂饰的毛竹阻燃重组竹地板。此外，将未作阻燃处理的竹束装入浸胶笼中，之后的工艺与制备阻燃重组竹地板的相同，由此制得未阻燃处理重组竹地板用于对比研究。

1.4 阻燃性能测试

将未涂饰的阻燃和未阻燃处理重组竹地板加工成尺寸规格为100 mm×100 mm（长×宽）的试件，并将其调制到质量恒重后密闭保存。采用锥形量热仪(CONE)测试阻燃和未阻燃处理重组竹地板的阻燃性能，试验的热辐射功率为50 kW/m2，温度为728 ℃，人工记录试样点燃时间(TTI)，其他数据由锥形量热仪(CONE)的专用软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 热释放速率

阻燃和未阻燃处理重组竹地板的热释放速率（HRR）曲线，如图1所示。

图1 阻燃和未阻燃处理重组竹地板的热释放速率Fig.1 HRR of fire-retardant and nonfire-retardant bamboo scrimber flooring

热释放速率（HRR）又称火强度，HRR越大，材料发生火灾的危险性也越大[14-16]；HRR越小，材料越不容易燃烧，阻燃性能也就越好。若要制得阻燃性能优异的重组竹地板，就要尽量想法降低HRR。从图1可以看出，阻燃重组竹地板的热释放速率明显低于未阻燃处理重组竹地板，经锥形量热仪测得前者的热释放速率比后者降低了22.0%，也就是说阻燃重组竹地板的热解速度和热解时生成可燃性挥发产物的速度均比未阻燃处理重组竹地板要低得多。

此外，通常HRR曲线的两个放热峰分别对应于材料点燃时的短暂有焰燃烧过程和出现较高火焰时的燃烧过程[15]，因而降低第2放热峰的峰值是提高材料阻燃性能的有效方法。从图1可知，阻燃重组竹地板的第1放热峰和第2放热峰的峰值均小于未阻燃处理重组竹地板，其中阻燃重组竹地板的第1个放热峰的峰值约为未阻燃处理重组竹地板的89.8%，第2个放热峰的峰值约为未阻燃重组竹地板的78.9%；阻燃重组竹地板的第2放热峰比未阻燃重组竹地板出现的时间延迟1.5 min。故一旦发生建筑火灾，阻燃重组竹地板强火到来的时间比未阻燃重组竹地板减少了1.5 min，这就为人员撤离火灾现场或灭火提供了宝贵的时间，可相应减少火灾带来的损失。

综上所述，阻燃重组竹地板比未阻燃处理重组竹地板的阻燃性能好得多，这主要是因为复配阻燃剂的加入抑制了热量释放的速度。此外，由于复配阻燃剂具有一定的吸湿性，使得竹束在施加酚醛树脂胶黏剂的过程中吸收了更多的胶液，也就加大了阻燃重组竹地板中胶黏剂的施加量（增加约5%～8%）[12]，由于该试验热辐射功率为50 kW/m2时的燃烧温度为728 ℃，而酚醛树脂胶黏剂在700 ℃以后的失重几乎没有太大的变化[17，18]，故酚醛树脂胶黏剂含量的增加相应降低了阻燃重组竹地板在燃烧中的热释放速率。

2.2 总热释放量

阻燃和未阻燃处理重组竹地板的总热释放量（THR）曲线，如图2所示。

图2 阻燃和未阻燃处理重组竹地板的总热释放量Fig.2 THR of fire-retardant and non-fireretardant bamboo scrimber flooring

从图2可以看出，在整个燃烧试验的过程中，随着时间的延长，阻燃和未阻燃处理重组竹地板的总热释放量（THR）都增加，且阻燃重组竹地板的总热释放量始终都比未阻燃处理重组竹地板低，这与HRR曲线的变化规律相符。由于THR表示材料在整个燃烧过程中所释放热量的总和， 因而THR越小，材料所释放的热量也就越小，材料的阻燃性能也越好。故对材料进行阻燃处理时，就是要采用各种措施尽可能多地降低材料燃烧过程中所释放热量的总和，这样其阻燃性能才相应得到提高。在图2中，锥形量热仪测得的阻燃重组竹地板的总热释放量约为未阻燃处理重组竹地板的75.8%，比未阻燃处理重组竹地板降低了24.2%。

总之，竹束经阻燃处理后再制成重组竹地板能较大幅度地提高其阻燃性能，从而减小发生建筑火灾的危险性。主要原因是复配阻燃剂抑制了重组竹的燃烧，从而降低了总热释放量。而且由于复配阻燃剂的加入导致阻燃剂重组地板的酚醛树脂胶黏剂的含量大于未阻燃处理重组竹地板，相应降低了重组竹地板燃烧中的总热释放量。

2.3 有效燃烧热

通常有效燃烧热（EHC）的数值越低，材料越不易燃烧，阻燃性能也越好。阻燃和未阻燃处理重组竹地板的有效燃烧热（EHC）曲线如图3所示。从图3可知，阻燃重组竹地板的有效燃烧热值低于未阻燃处理重组竹地板，这表明阻燃重组竹地板在燃烧过程中可燃性物质的产量要低于未阻燃处理重组竹地板，同时也表明复配阻燃剂能有效抑制阻燃重组竹地板的热解，因而使得阻燃重组竹地板比未阻燃处理重组竹地板的阻燃性能好。

图3 阻燃和未阻燃处理重组竹地板的有效燃烧热Fig.3 EHC of fire-retardant and nonfire-retardant bamboo scrimber flooring

从图3可以看出，有效燃烧热曲线上下波动的幅度很大，呈现“锯齿状”。这可能是因为：重组竹地板的基本构成单元竹束是由竹篾经碾压加缝制而成的，由于竹材固有的径小、壁薄、尖削度大等缺点，使得竹篾的宽度大小不一、厚薄不均，从而致使其制造的重组竹地板的密度分布、厚度大小等存在较大偏差，相应导致阻燃和未阻燃处理重组竹地板热解所生成的可燃性物质的产量相差较大，最终导致有效燃烧热曲线呈现“锯齿状”波动的现象。此外，从图3可知，在EHC曲线上，与HRR曲线第2放热峰前后相对应阶段的波动幅度更大。出现这种情况的原因可能是：此时阻燃和未阻燃处理重组竹地板已经进入到红热燃烧阶段，在此阶段重组竹地板已经转变为炭，而炭的强度较低、性脆、内部极易发生龟裂，使得重组竹地板的瞬间质量损失较大或者重组竹地板的质量损失速率较大，从而导致EHC曲线上下变化的幅度很大。

2.4 点燃时间

试验表明，阻燃和未阻燃处理重组竹地板的点燃时间（TTI）分别为40 s和30 s，前者是后者的133.3%，也就是说重组竹地板经过阻燃处理后的点燃时间延长了33.3%，这说明在燃烧试验过程中，阻燃重组竹地板表面产生有焰燃烧所需的持续点火时间比未阻燃处理重组竹地板高。故阻燃重组竹地板比未阻燃处理重组竹地板更不容易被点燃，也就更不易燃烧。因此，阻燃重组竹地板具有更好的阻燃性能。

2.5 质量损失速率

阻燃和未阻燃处理重组竹地板的质量损失速率（MLR）曲线，如图4所示。

图4 阻燃和未阻燃处理重组竹地板的质量损失速率Fig.4 MLR of fire-retardant and non-fire-retardant bamboo scrimber flooring

由图4可知，阻燃重组竹地板的质量损失速率低于未阻燃重组竹地板，也就是说阻燃重组竹地板的热失重速率低于未阻燃处理重组竹地板，因而阻燃重组竹地板的阻燃性能优于未阻燃重组竹地板。这主要是因为复配阻燃剂的加入降低了重组竹地板在燃烧试验过程中发生热解反应的速度。另外，由于阻燃重组竹地板中的酚醛树脂胶黏剂的含量大于未阻燃处理重组竹地板，在相同密度下的重组竹地板中竹材原料的比例就更低，由于竹材在700 ℃之后大多被分解，而酚醛树脂在700 ℃之后分解基本结束[17,18]，故酚醛树脂胶黏剂含量的增加相应降低了阻燃重组竹地板燃烧中的质量损失速率。此外，对比MLR曲线与HRR曲线可知，两者的变化情况相似，这说明阻燃和未阻燃处理重组竹地板在燃烧时热量释放的快慢和其质量损失的快慢基本同步，由此可推知，重组竹地板发生有焰燃烧时释放热量的最快时期，也就是其热解产生可燃性物质的最快时期。另外，从图4可以看出，MLR曲线上下起伏变化很大，究其原因可能是因为阻燃和未阻燃处理重组竹地板本身存在密度分布不均、竹束形状大小有差异等缺点，导致其在燃烧试验过程中在不同时间的失重率不同，从而在MLR曲线上表现出较大波动的情况。

2.6 残余物质量

阻燃和未阻燃处理重组竹地板的残余物质量（Mass）曲线，如图5所示。

图5 阻燃和未阻燃处理重组竹地板的残余物质量Fig.5 Mass of fire-retardant and non-fireretardant bamboo scrimber flooring

由图5可知，阻燃重组竹地板的残余物质量始终大于未阻燃处理重组竹地板，在前12 min时间内两者质量相差不大，在12 min左右时甚至相差无几，自12 min开始到试验结束期间，两者质量的差距随着燃烧试验时间的延长逐渐增大。这可能是因为在燃烧试验的前12 min，阻燃和未阻燃处理重组竹地板都处于热解最快的有焰燃烧阶段，且以竹材热解为主，酚醛树脂热解为辅，加之两者制造时的竹束用量相同，从而导致它们的热失重相差较小，甚至非常接近。而在12 min之后进入红热燃烧阶段，此时的残余物主要是炭。究其原因，主要是因为阻燃剂有利于加强成炭作用，相应增加了炭的生产量，导致阻燃重组竹地板的残余物质量高于未阻燃重组竹地板。此外，阻燃重组竹地板中的酚醛树脂胶黏剂的含量大于未阻燃处理重组竹地板，而酚醛树脂胶黏剂含量的增加相应降低了阻燃重组竹地板燃烧中的质量损失。

2.7 残炭形状

图6 阻燃和未阻燃处理重组竹地板的残炭形状Fig.6 Shapes of the residual carbon of fire-retardant and non-fire-retardant bamboo scrimber flooring

阻燃和未阻燃处理重组竹地板燃烧后的残炭形状，如图6所示。从图6可知，阻燃重组竹地板燃烧后的残余物为基本保持试件原有形状的比较规整的黑色炭块，而未阻燃处理重组竹地板燃烧后的残余物主要为灰白色的粉灰和少量形状较规整的浅灰色炭块；同时，阻燃重组竹地板的块状残炭的硬度、强度也都超过未阻燃处理重组竹地板。这表明，阻燃剂能有效促进重组竹地板的炭生成量的增加，而成炭有利于降低重组竹地板的热释放，故阻燃重组竹地板的阻燃性能比未阻燃处理重组竹地板更好。由于重组竹地板是由竹束和酚醛树脂胶黏剂胶合而成的，因而重组竹地板燃烧后的残炭形态与竹材有较大差异。通常竹材燃烧后的残炭主要为无定形炭，其硬度和强度都较低，而重组竹地板燃烧后的残炭由竹材形成的无定形炭和酚醛树脂胶黏剂形成的玻璃炭所组成，由于复配阻燃剂的吸湿性导致阻燃重组竹地板中酚醛树脂胶黏剂的施加量比未阻燃处理重组竹地板增加了约5%～8%[12]，故阻燃重组竹地板燃烧后玻璃炭的含量高于未阻燃重组竹地板。因此，阻燃重组竹地板残炭的硬度、强度都高于未阻燃处理重组竹地板。

3 结论

1）竹束经过阻燃处理后制备的重组竹地板与未经阻燃处理制备的重组竹地板相比,热释放速率降低22.0%，总热释放量降低24.2%，点燃时间延长33.3%，有效燃烧热和质量损失速率明显降低。阻燃重组竹地板具有更好的阻燃性能。

2）复配阻燃剂的加入增加了阻燃重组竹地板中酚醛树脂胶黏剂的施加量，阻燃重组竹地板中酚醛树脂含量的增加有利于其阻燃性能的提高。

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