一種脲醛樹脂型木材阻燃劑的研究

陳 玲， 尹子康， 劉 冰， 雒 鷹， 崔鐵花， 李繼平， 付曉霞

(吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130033)

研究與設(shè)計

一種脲醛樹脂型木材阻燃劑的研究

陳 玲， 尹子康， 劉 冰， 雒 鷹， 崔鐵花， 李繼平， 付曉霞

(吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130033)

以甲醛與尿素加成反應(yīng)的中間產(chǎn)物為載體，配合其他防火阻燃劑，通過加成和縮聚反應(yīng)制取樹脂型阻燃劑，利用單板層積材的生產(chǎn)原理制成阻燃單板層積材。根據(jù)各種性能指標(biāo)分析，確定最佳樹脂型阻燃劑配方。研究結(jié)果表明，使用該阻燃劑生產(chǎn)的阻燃單板層積材滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，并可降低甲醛釋放量，提高板材強度。

脲醛樹脂；阻燃劑；單板層積材；甲醛釋放量

木質(zhì)材料是重要的工業(yè)工程材料，可用于各種風(fēng)格和形式的建筑中，但木質(zhì)材料亦有其自身的缺點，其中之一就是具有可燃性，在建筑裝修中大量使用木材及木質(zhì)材料存在一定的火災(zāi)隱患。為減少火災(zāi)及其造成的損失，世界各國都在積極地研究開發(fā)木材阻燃技術(shù)及制定相關(guān)的阻燃標(biāo)準(zhǔn)。我國也將各類木質(zhì)材料列為B2級可燃材料，按消防法規(guī)規(guī)定，在高層建筑中使用木制品必須經(jīng)過阻燃處理[1-3]。

阻燃技術(shù)的應(yīng)用是保護(hù)木材及其制品的重要手段之一，利用阻燃技術(shù)可使木質(zhì)材料的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，使建筑裝飾用木材的防火安全性大大提高。了解木材阻燃技術(shù)的研究進(jìn)展，研制和開發(fā)新型木材阻燃劑及阻燃處理工藝，規(guī)范阻燃性能的檢測，對木材阻燃工業(yè)化生產(chǎn)和阻燃材的推廣應(yīng)用具有重要意義[4-7]。

樹脂型阻燃劑是一種性能優(yōu)良的阻燃劑，應(yīng)用其制得的阻燃單板層積材產(chǎn)品不但具有良好的阻燃性，同時還可提高材料的強度和尺寸穩(wěn)定性。樹脂型阻燃劑的開發(fā)不僅能給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，同時也具有較大的社會效益。

1 試驗材料及合成工藝

1.1 試驗材料

①甲醛：含量37%，工業(yè)品，天津市福晨化工試劑廠生產(chǎn)；②尿素：純度大于98%，工業(yè)品，通化化工股份有限公司生產(chǎn)；③硼砂：含量95%，工業(yè)品，鄭州澳彩化工原料有限公司生產(chǎn)；④氫氧化鈉：含量30%，分析純，上?；瘜W(xué)試劑總廠生產(chǎn)；⑤甲醛捕捉劑：市面采購；⑥穩(wěn)定劑：市面采購；⑦楊木旋切單板：厚度1.5 mm，含水率8%左右，長春柏盛龍佳木業(yè)有限公司生產(chǎn)；⑧脲醛樹脂膠：黏度3 000～4 500 mPa·s，比重1.26 g/cm3，吉林省天源粘合劑有限公司生產(chǎn)。

1.2 合成工藝

①將甲醛加入到反應(yīng)釜中，開啟攪拌器；②用氫氧化鈉溶液將其pH值調(diào)至8～9；③將尿素加入到反應(yīng)釜中；④升溫至70 ℃±2 ℃，保溫30 min；⑤將硼砂加入到反應(yīng)釜中反應(yīng)10 min；⑥將甲醛捕捉劑和穩(wěn)定劑加入到反應(yīng)釜中反應(yīng)10 min；⑦將水加入到反應(yīng)釜中，放料。

2 阻燃非結(jié)構(gòu)用單板層積材制備及理化性能測定

2.1 單板層積材制備

①用合成的脲醛樹脂型阻燃劑浸漬單板12 h；②對浸漬后的單板進(jìn)行干燥，使其含水率達(dá)到8%左右；③對干燥后的單板進(jìn)行涂膠、組坯、熱壓。

9層單板，施膠量300 g/m2(雙面)，熱壓溫度105 ℃，熱壓時間14 min，熱壓壓力1.2 MPa。

2.2 單板層積材理化性能測定

按不同的試驗水平選定甲醛與尿素的重量比、阻燃劑硼砂的添加量、甲醛捕捉劑的添加量和穩(wěn)定劑的添加量進(jìn)行正交試驗，測定阻燃非結(jié)構(gòu)用單板層積材的理化性能，以確定脲醛樹脂型阻燃劑的最佳配方。

考慮到甲醛與尿素不同的摩爾比會對加成反應(yīng)生成的一羥甲基脲和二羥甲基脲的量以及游離甲醛的量產(chǎn)生影響，將甲醛與尿素重量比的水平定為1.3(摩爾比為0.96)、1.4(摩爾比為1.04)、1.5(摩爾比為1.11)和1.6(摩爾比為1.18)，然后根據(jù)大量的探索性試驗確定阻燃劑硼砂、甲醛捕捉劑和穩(wěn)定劑的添加量。選定的因素和水平見表1。

表1 因素和水平

甲醛與尿素重量比(甲醛添加量(g)/尿素添加量(g))阻燃劑硼砂添加量/g甲醛捕捉劑添加量/g穩(wěn)定劑添加量/g11.3(130/100)60142.521.4(140/100)65153.031.5(150/100)70163.541.6(160/100)75174.0

按照正交試驗，每個因素水平組合的每個配方的量為350 g左右，考慮到成本因素，對樹脂型阻燃劑進(jìn)行稀釋，以減小濃度，并將水的添加量定為350 g。

理化性能測定包括浸漬剝離性能、甲醛釋放量、氧指數(shù)及活性期測定。

3 試驗結(jié)果與分析

正交試驗方案及結(jié)果見表2。

3.1 甲醛與尿素重量比對浸漬剝離性能、甲醛釋放量、氧指數(shù)和活性期的影響

從正交試驗結(jié)果可以看出，在試驗范圍內(nèi)，甲醛與尿素重量比對單板層積材的浸漬剝離性能和氧指數(shù)以及阻燃劑的活性期均無影響，對單板層積材甲醛釋放量的影響顯著。

隨著甲醛與尿素重量比的增加，單板層積材甲醛釋放量增加是由于此時甲醛的相對量增加所致。

3.2 阻燃劑硼砂添加量對浸漬剝離性能、甲醛釋放量、氧指數(shù)和活性期的影響

從正交試驗結(jié)果可以看出，在試驗范圍內(nèi)，阻燃劑硼砂添加量對單板層積材的浸漬剝離性能無影響，對單板層積材的甲醛釋放量有影響，對單板層積材氧指數(shù)和阻燃劑活性期的影響高度顯著。

隨著阻燃劑硼砂添加量的增加，單板層積材甲醛釋放量增加是由于硼砂的增加對低聚合度樹脂的進(jìn)一步聚合產(chǎn)生了負(fù)面影響，同時由于硼砂是堿性材料，其對單板層積材熱壓過程中脲醛樹脂膠層的固化會產(chǎn)生消極影響，導(dǎo)致甲醛釋放量增加；隨著阻燃劑硼砂添加量的增加，單板層積材氧指數(shù)提高是

表2 試驗方案及試驗結(jié)果-L16(45)正交表

試驗編號甲醛與尿素重量比(甲醛添加量(g)/尿素添加量(g))阻燃劑硼砂添加量/g甲醛捕捉劑添加量/g穩(wěn)定劑添加量/g試驗結(jié)果浸漬剝離性能/mm甲醛釋放量/mg·L-1氧指數(shù)/%活性期/天1(1)1.3(130/100)(1)60(1)14(1)2.500.841.6202(1)1.3(130/100)(2)65(2)15(2)3.000.743.6203(1)1.3(130/100)(3)70(3)16(3)3.500.843.1204(1)1.3(130/100)(4)75(4)17(4)4.06.751.045.5205(2)1.4(140/100)(1)60(2)15(3)3.501.142.3156(2)1.4(140/100)(2)65(1)14(4)4.001.243.7267(2)1.4(140/100)(3)70(4)17(1)2.501.243.3128(2)1.4(140/100)(4)75(3)16(2)3.001.245.6199(3)1.5(150/100)(1)60(3)16(4)4.020.842.51110(3)1.5(150/100)(2)65(4)17(3)3.501.043.41111(3)1.5(150/100)(3)70(1)14(2)3.002.844.12612(3)1.5(150/100)(4)75(2)15(1)2.502.046.92313(4)1.6(160/100)(1)60(4)17(2)3.02.51.242.7714(4)1.6(160/100)(2)65(3)16(1)2.501.743.51015(4)1.6(160/100)(3)70(2)15(4)4.003.245.22516(4)1.6(160/100)(4)75(1)14(3)3.504.846.933各因子對浸漬剝離性能的影響k11.691.1300k20000.63k30.500.50k40.631.692.312.19R1.691.692.312.19各因子對甲醛釋放量的影響k10.830.982.41.43k21.181.151.751.48k31.6521.131.93k42.732.251.11.55R1.91.271.30.5各因子對氧指數(shù)的影響k143.742.2843.4544.28k244.3843.3344.144.18k344.0844.1544.2343.8k443.8346.2344.244.73R0.683.950.780.55各因子對活性期的影響k12013.2526.2516.25k21816.7520.7518k317.7520.751519.75k418.7523.7512.520.5R2.2510.513.754.25

由于該樹脂型阻燃劑中硼砂起主要的阻燃作用，隨著阻燃劑硼砂添加量增加單板層積材的阻燃性提高，氧指數(shù)提高；隨著阻燃劑硼砂添加量的增加，阻燃劑活性期延長是由于硼砂添加量增加對低聚合度樹脂的進(jìn)一步聚合產(chǎn)生了負(fù)面影響，使活性期延長。

3.3 甲醛捕捉劑添加量對浸漬剝離性能、甲醛釋放量、氧指數(shù)和活性期的影響

從正交試驗結(jié)果可以看出，在試驗范圍內(nèi)，甲醛捕捉劑添加量對單板層積材的浸漬剝離性能和氧指數(shù)無影響，對單板層積材的甲醛釋放量有影響，對阻燃劑活性期的影響高度顯著。

隨著甲醛捕捉劑添加量的增加，單板層積材的甲醛釋放量減少是由于甲醛捕捉劑吸附了單板層積材熱壓過程中的游離甲醛，使甲醛釋放量降低；隨著甲醛捕捉劑添加量的增加，阻燃劑的活性期縮短是由于甲醛捕捉劑是酸性材料，其促進(jìn)了低聚合度樹脂的進(jìn)一步聚合，使活性期變短。

3.4 穩(wěn)定劑添加量對浸漬剝離性能、甲醛釋放量、氧指數(shù)和活性期的影響

從正交試驗結(jié)果可以看出，在試驗范圍內(nèi)，穩(wěn)定劑添加量對單板層積材的浸漬剝離性、甲醛釋放量和氧指數(shù)無影響，對阻燃劑活性期的影響顯著。

隨著穩(wěn)定劑添加量的增加，阻燃劑的活性期延長是由于穩(wěn)定劑減緩了低聚合樹脂的進(jìn)一步聚合，使活性期延長。

3.5 確定最佳配方

根據(jù)正交試驗的結(jié)果及分析，綜合上述因素對單板層積材浸漬剝離性能、甲醛釋放量和氧指數(shù)以及阻燃劑活性期產(chǎn)生的影響，為了盡可能提高單板層積材的浸漬剝離性能和氧指數(shù)，降低其甲醛釋放量，延長阻燃劑的活性期，同時從經(jīng)濟(jì)角度考慮盡可能地降低成本，確定第6組為最佳配方。采用第6組配方對單板進(jìn)行處理制得的阻燃非結(jié)構(gòu)用單板層積材，其膠層剝離長度為0，甲醛釋放量(1.2mg/L)達(dá)到E1級(≤1.5mg/L)，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20241-2006 單板層積材中對非結(jié)構(gòu)用單板層積材的相關(guān)規(guī)定要求；氧指數(shù)達(dá)到40%以上；阻燃劑活性期達(dá)到26天，為試驗范圍內(nèi)的最佳值。

4 結(jié)論

(1)在試驗范圍內(nèi)，隨著甲醛與尿素重量比的增加，單板層積材的甲醛釋放量增加；隨著阻燃劑硼砂添加量的增加，單板層積材的甲醛釋放量增加，氧指數(shù)提高，阻燃劑的活性期延長；隨著甲醛捕捉劑添加量的增加，單板層積材的甲醛釋放量減少，阻燃劑的活性期縮短；隨著穩(wěn)定劑添加量的增加，阻燃劑的活性期延長。

(2)制成的脲醛樹脂型阻燃劑最佳配方為：甲醛與尿素重量比1.5(甲醛添加量150g、尿素添加量100g)，阻燃劑硼砂添加量65g，甲醛捕捉劑添加量17g，穩(wěn)定劑添加量3.5g。

(3)采用脲醛樹脂型阻燃劑對單板進(jìn)行處理制得的阻燃非結(jié)構(gòu)用單板層積材，其理化性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20241-2006 單板層積材中對非結(jié)構(gòu)用單板層積材的相關(guān)規(guī)定要求，膠層剝離長度為0，甲醛釋放量(0.84mg/L)達(dá)到E1級(≤1.5mg/L)；氧指數(shù)達(dá)到37%以上。

(4)試驗用脲醛樹脂制備的普通單板層積材的甲醛釋放量超過E2級(≤5mg/L)，如果采用質(zhì)量更好的脲醛樹脂(甲醛釋放量水平更低)，則采用本試驗配方進(jìn)行阻燃處理后板材的甲醛釋放量將達(dá)到更低水平。使用本試驗研發(fā)的脲醛樹脂型阻燃劑，在達(dá)到阻燃效果的同時不會降低板材本身的性能，同時還會提高板材的強度并降低板材的甲醛釋放量，具有阻燃、增強理化性能和降低甲醛釋放量三重功效。

[1] 劉其梅，彭萬喜，張明龍，等.木質(zhì)材料阻燃研究現(xiàn)狀與趨勢[J].世界林業(yè)研究，2006，19(1)：42-46.

[2] 江進(jìn)學(xué)，李建章，梅超群，等.木質(zhì)材料阻燃改性研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工，2009，38(8)：1203-1206.

[3] 龐維峰，曹永建，謝桂軍，等.木質(zhì)材料阻燃技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].廣東林業(yè)科技，2012，28(3)：57-61.

[4] 張璐，李光沛.影響阻燃膠合板膠合強度因素的研究[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2006，34(11)：18-20.

[5] 顧波，余麗萍，李光沛.BL-環(huán)保阻燃劑在單板上載藥量影響因素的初步研究[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2006，34(12)：10-13.

[6] 類成帥，沈雋，王高超.阻燃楊木膠合板揮發(fā)性有機化合物釋放研究[J].森林工程，2014，30(2)：43-47.

[7] 王石進(jìn)，王奉強，王清文，等.木材阻燃劑FRW與聚磷酸銨復(fù)配的阻燃協(xié)同效應(yīng)研究[J].木材工業(yè)，2014，28(3)：17-21.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Study on a Kind of UF Resinous Type Fire Retardant

CHEN Ling， YIN Zi-kang， LIU Bing， LUO Ying， CUI Tie-hua， LI Ji-ping， FU Xiao-xia

(Jilin Provincial Academy of Forestry Sciences，Changchun Jilin 130033，China)

The intermediate products of the addition reaction of formaldehyde and urea are used as carrier.Then other fire retardants are added to produce a resinous type fire retardant through addition reaction and polycondensation reaction.The fire-retardant LVL with the resinous type fire retardant is produced to determine its best formulation according to various performance indicators.The results show that the performance of the fire-retardant LVL can meet the national standard，and at the same time the formaldehyde emission is reduced and the board strength is improved.

UF resinous；fire retardant；LVL；formaldehyde emission

2016-10-18

吉林省林業(yè)廳林業(yè)科技項目“木材阻燃技術(shù)研究”(2013-001)

陳 玲(1981-)，女，助理研究員，博士，主要從事木質(zhì)復(fù)合材料方面的研究，E-mail:530701653@qq.com。

TS612

A

2095-2953(2017)02-0040-04