基于3種評(píng)價(jià)方法的阻燃刨花板燃燒特性分析

盧金漢，姜鵬，陳志林，李路明

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091)

目前，刨花板已被廣泛應(yīng)用于建筑、室內(nèi)裝飾裝修、家具等各種領(lǐng)域。據(jù)最新不完全統(tǒng)計(jì)，2018年全國(guó)刨花板產(chǎn)量達(dá)到2 732萬(wàn)m3[1]。隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50222—2017《建筑內(nèi)部裝修設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的實(shí)施，阻燃刨花板作為一種功能型人造板，其受關(guān)注程度也逐漸提高。單體燃燒試驗(yàn)(SBI)、錐形量熱儀試驗(yàn)(CONE)和火傳播試驗(yàn)(FP)是衡量和評(píng)價(jià)阻燃刨花板燃燒性能最常用的3種檢測(cè)手段。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中3種方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 3種測(cè)試方法對(duì)比Table 1 Comparison table of three testing methods

SBI試驗(yàn)(如圖1a所示)方法通過(guò)衡量大尺寸試樣在有明火條件下的燃燒性能，模擬真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)景，試驗(yàn)過(guò)程具有代表性[2-3]，在行業(yè)中認(rèn)可度較高。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》其燃燒等級(jí)從高到低分為A、B1、B2、B3。CONE試驗(yàn)(如圖1b所示)是一種小尺寸試驗(yàn)方法，常用于研究各類(lèi)材料的阻燃機(jī)理，為性能化防火設(shè)計(jì)和火災(zāi)模型化提供數(shù)據(jù)[4-6]，在阻燃產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量控制方面具有一定優(yōu)勢(shì)。FP試驗(yàn)(如圖1c所示)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17658—2018《阻燃木材燃燒性能試驗(yàn) 火傳播試驗(yàn)方法》和歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS 476-6：2009“防火性能測(cè)試”設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)試材料的火焰?zhèn)鞑バ阅?，進(jìn)而評(píng)估材料的燃燒性能。該測(cè)試方法因其兼具SBI測(cè)試的明火點(diǎn)燃和CONE測(cè)試的熱輻射燃燒環(huán)境功能，而得到了越來(lái)越多的關(guān)注[7-8]。

圖1 3種測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Basic structure drawing of the apparatus for three testing methods

綜上， SBI、CONE和FP試驗(yàn)均為評(píng)價(jià)木質(zhì)材料燃燒性能的重要手段，故分析三者之間相關(guān)性對(duì)綜合評(píng)價(jià)木質(zhì)材料的燃燒性能具有重要意義。本試驗(yàn)以阻燃刨花板為研究對(duì)象，擬通過(guò)分析SBI、CONE和FP試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)比3種測(cè)試方法評(píng)價(jià)木質(zhì)材料燃燒性能的不同與聯(lián)系，旨在為進(jìn)一步完善阻燃刨花板的評(píng)價(jià)體系提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原 料

阻燃劑：磷雜菲阻燃劑(DOPO)，聚磷酸銨/三聚氰胺(APP/MEL的質(zhì)量比3∶1)組成膨脹型阻燃劑。膠黏劑：脲醛樹(shù)脂膠黏劑，固含量58%。刨花：楊木和果雜木，含水率9%～11%，棒狀，長(zhǎng)度5～10 mm，由河北易縣圣霖板業(yè)有限公司提供。

1.1.2 樣品制備

在普通連續(xù)平壓式刨花板生產(chǎn)線上制備，干刨花拌膠階段施加阻燃劑，其中DOPO阻燃劑施加于表層刨花中，APP復(fù)配阻燃劑施加于芯層刨花中。板坯熱壓溫度為220 ℃，壓機(jī)傳送帶速度為14 m/min。試驗(yàn)采用分層阻燃方式進(jìn)行處理：

1)普通刨花板(PB)：芯層刨花施膠量為10%，表層刨花施膠量約為8%。

2)阻燃刨花板(FRPB)：芯層刨花施膠量為10%，阻燃劑施加量為5%；表層刨花施膠量約為8%，阻燃劑施加量為15%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 單體燃燒試驗(yàn)

SBI設(shè)備由莫帝斯燃燒技術(shù)中國(guó)有限公司生產(chǎn)。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20284—2006中規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。試樣尺寸為：有兩個(gè)翼的角型試樣，分為長(zhǎng)翼和短翼。長(zhǎng)翼尺寸1 500 mm×1 000 mm×18 mm，短翼尺寸1 500 mm×500 mm×18 mm。

1.2.2 錐形量熱儀試驗(yàn)

試驗(yàn)用錐形量熱儀由英國(guó)FTT公司生產(chǎn)。試驗(yàn)按照ISO 5660：2015中規(guī)定進(jìn)行。熱源輻射強(qiáng)度為50 kW/m2，是日本建筑基準(zhǔn)法按照材料的發(fā)熱性確定的不燃材料、準(zhǔn)不燃材料和難燃材料的標(biāo)準(zhǔn)輻射強(qiáng)度。試樣尺寸為100 mm×100 mm×18 mm。

1.2.3 火傳播試驗(yàn)

火傳播試驗(yàn)設(shè)備由南京江寧分析儀器有限公司生產(chǎn)，ProtIR 204M紅外煙氣分析儀由英國(guó)Protea公司生產(chǎn)。試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17658—2018中規(guī)定進(jìn)行。試樣尺寸為225 mm×225 mm×18 mm。試樣數(shù)量為5個(gè)，其中2個(gè)備用。

以上3種試驗(yàn)方法均重復(fù)3次，且每次重復(fù)的樣品均取自同批次兩張幅面為1 220 mm×2 440 mm×18 mm的刨花板上。

1.2.4 掃描電鏡試驗(yàn)

SU8010型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，由日本Hitachi公司生產(chǎn)。觀察測(cè)試后樣品相同位置表面殘?zhí)康奈⒂^結(jié)構(gòu)，掃描測(cè)試電壓為20 eV。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種測(cè)試方法中主要參數(shù)對(duì)比

燃燒增長(zhǎng)速率指數(shù)(FIGRA)和火傳播指數(shù)(S值)衡量材料燃燒等級(jí)的重要參數(shù)。其中，在SBI測(cè)試中，F(xiàn)IGRA(SBI)的計(jì)算公式如式(1)：

(1)

式中：FIGRA為燃燒增長(zhǎng)速率指數(shù)，W/s；HRRav(t)為熱釋放速率HRR(t)的平均值，kW；max[a(t)]為規(guī)定時(shí)間內(nèi)a(t)的最大值；t為受火時(shí)間，s。

在CONE測(cè)試中，F(xiàn)IGRA(CONE)也可基于公式(1)得到[9]。SBI和CONE測(cè)試中HRR均由耗氧原理計(jì)算得到。

火傳播指數(shù)S值是在FP試驗(yàn)中，利用熱電偶連續(xù)記錄燃燒實(shí)時(shí)溫度與起始溫度的差值，計(jì)算方法如式(2)：

(2)

式中：S為被測(cè)樣品的火傳播指數(shù)，℃/min；t為時(shí)間，min；Qc為標(biāo)定過(guò)程中記錄溫度減去最初溫度，℃；Qs為燃燒試驗(yàn)中記錄溫度減去最初溫度，℃。

試樣通過(guò)SBI和CONE測(cè)試，得到的HRR、THR和FIGRA變化曲線如圖2。試樣通過(guò)火傳播試驗(yàn)的溫升變化曲線見(jiàn)圖3。樣品通過(guò)3種測(cè)試方法中關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)比見(jiàn)表2。圖2中SBI測(cè)試數(shù)據(jù)表明，PB的FIGRA0.2MJ(THR達(dá)到0.2 MJ時(shí)的瞬時(shí)燃燒增長(zhǎng)速率指數(shù))和THR600s(試樣受火于主燃燒器最初600 s內(nèi)的總熱釋放量)分別為372.90 W/s和28.50 MJ，而FRPB的FIGRA0.2MJ和THR600s分別為90.20 W/s和7.60 MJ，達(dá)到GB 8624—2012中對(duì)B1-B級(jí)(FIGRA0.2MJ≤120 W/s；THR600s≤7.5 MJ)的標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合圖2和圖3，并通過(guò)比對(duì)3種測(cè)試方法的燃燒指數(shù)(表2中FIGRA0.2MJ和S值)發(fā)現(xiàn)，相比于普通刨花板，F(xiàn)RPB的FIGRA0.2MJ(SBI)降低了75.5%，F(xiàn)IGRA0.2MJ(CONE)降低了72.5%，火傳播指數(shù)S值降低了91.1%。結(jié)果表明，3種測(cè)試方法對(duì)FRPB燃燒指數(shù)的降低幅度影響較小。FIGRA可根據(jù)式(1)計(jì)算獲得，通過(guò)對(duì)比PB和FRPB熱釋放速率峰值(pkHRR)發(fā)現(xiàn)，在SBI測(cè)試中的pkHRR(SBI)降低了80.2%。不同于樣品在SBI測(cè)試中持續(xù)明火點(diǎn)燃條件下的燃燒速率單峰，CONE測(cè)試出現(xiàn)了兩個(gè)熱釋放速率峰(分別降低了64.9%和36.9%)，兩個(gè)峰的出現(xiàn)與CONE的測(cè)試原理有關(guān)，第一放熱峰對(duì)應(yīng)于試樣被點(diǎn)燃時(shí)的短暫有焰燃燒過(guò)程，之后樣品快速成炭熱量降低，待熱量進(jìn)一步傳遞至內(nèi)部基體材料后再次點(diǎn)燃后釋放熱量[10]。

圖2 試樣HRR、THR和FIGRA的變化曲線Fig. 2 Curves of heat release rate, total heat release and combustion growth rate index of samples

圖3 試樣在火傳播試驗(yàn)中煙囪溫度的變化曲線Fig. 3 Curves of stack temperature in fire propagation test

表2 3種測(cè)試方法中的重要燃燒性能參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison table of important combustion parameters in three testing methods

綜合圖2和圖3，并通過(guò)比對(duì)3種測(cè)試方法的釋熱規(guī)律(表2中THR600s和溫升峰值)發(fā)現(xiàn)，相比于PB, FRPB的THR600s(SBI)和THR600s(CONE)分別降低了77.9%和42.1%，F(xiàn)P測(cè)試中600 s內(nèi)的溫升降低了27.09%。此外，從圖2、圖3可知，F(xiàn)P的溫升變化規(guī)律與THR基本一致，說(shuō)明刨花板燃燒對(duì)周邊環(huán)境的溫度變化與刨花板燃燒的放熱量有著緊密的聯(lián)系[11]。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RPB的釋熱規(guī)律在3種測(cè)試方法中的趨勢(shì)一致。

以上3種測(cè)試方法的結(jié)果表明，采用磷雜菲氣相阻燃劑和聚磷酸銨/三聚氰胺凝聚相阻燃體系制備的阻燃刨花板燃燒性能得到大幅提升。在表層添加在磷雜菲氣相阻燃劑，使木質(zhì)材料熱降解生成可燃性揮發(fā)組分的速率降低，延緩了火焰的快速蔓延，同時(shí)降低了熱釋放速率和溫升；在芯層中添加凝聚相阻燃劑，促進(jìn)木質(zhì)材料的脫水炭化，表面形成致密程度較高的炭化層，阻隔了熱量向基材內(nèi)部快速傳遞，從而使阻燃刨花板的總熱釋放量和熱釋放速率大幅度降低[12-13]。

2.2 3種測(cè)試方法產(chǎn)煙規(guī)律的綜合對(duì)比

2.2.1 產(chǎn)煙速率及產(chǎn)煙量

SMOGRA(SBI)(煙氣的生成速率指數(shù))和TSP600S(SBI)(試樣受火于主燃燒器最初600 s內(nèi)的總產(chǎn)煙量)是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624—2012中材料產(chǎn)煙特性等級(jí)評(píng)價(jià)的重要參數(shù)指標(biāo)。為與SBI試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本研究定義了錐形量熱儀試驗(yàn)的TSR600s(CONE)，而根據(jù)RSR曲線可以繪制出材料燃燒的SMOGRA曲線。試樣在SBI和CONE測(cè)試中的產(chǎn)煙速率[SPR(SBI)(a)和RSR(CONE)(d)]、產(chǎn)煙總量[TSP(SBI)(b)和TSR(CONE)(e)]、煙氣生成速率指數(shù)[SMOGRA(SBI)(c)和SMOGRA(CONE)(f)]變化曲線見(jiàn)如圖4。

圖4 試樣產(chǎn)煙速率、產(chǎn)煙總量、煙氣生成速率指數(shù)變化曲線Fig. 4 Curves of smoke production rate, total smoke production and smoke production rate index of samples

SBI的測(cè)試結(jié)果表明，與PB相比，F(xiàn)RPB的SMOGRA(SBI)、TSP600s(SBI)分別降低了8.3%和升高了17.9%。而通過(guò)與CONE測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，SMOGRA(CONE)和TSR(CONE)的降低幅度明顯優(yōu)于SBI測(cè)試，分別降低了26.3%和82.7%。通過(guò)對(duì)比FRPB和PB的煙氣生成速率(SPR(SBI)和RSR(CONE))發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RPB在370～640 s內(nèi)的SPR(SBI)要高于PB，而相同的規(guī)律也出現(xiàn)在CONE測(cè)試中的10～40 s范圍內(nèi)。這因?yàn)楸韺犹砑拥牧纂s菲氣相阻燃劑在燃燒初期通過(guò)阻燃劑自身分解產(chǎn)生揮發(fā)性組分，主要以產(chǎn)煙的方式帶走熱量。隨著火焰蔓延到芯層聚磷酸銨/三聚氰胺凝聚相阻燃體系開(kāi)始發(fā)揮作用，此時(shí)FRPB的SPR(SBI)和RSR(CONE)與PB相比會(huì)降低。SBI和CONE測(cè)試結(jié)果均表明，分層阻燃體系的添加顯著提高了刨花板的抑煙性能。煙氣生成速率在兩種測(cè)試過(guò)程初期表現(xiàn)一致，而產(chǎn)煙總量與產(chǎn)煙指數(shù)差異較大。這主要與測(cè)試燃燒環(huán)境的變化有關(guān)(SBI測(cè)試表面不充分燃燒，而CONE測(cè)試完全充分燃燒)。

2.2.2 CO生成速率

在火災(zāi)中，由燃燒產(chǎn)生的CO致死的人數(shù)占死亡總?cè)藬?shù)的40%以上[14-15]，分析其生成規(guī)律對(duì)材料阻燃具有重要意義。試樣通過(guò)CONE、FP測(cè)試的CO生成速率變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 試樣CO生成速率變化曲線Fig. 5 Curves of CO production rate of samples

通過(guò)CONE測(cè)試，F(xiàn)RPB的CO生成速率略高于PB(圖5a )，這主要?dú)w因于阻燃刨花板無(wú)明火情況下的陰燃現(xiàn)象。而對(duì)比FP測(cè)試曲線(圖5b)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RPB的CO生成速率大幅低于PB，這主要是因?yàn)镕P測(cè)試的持續(xù)明火使得CO完全燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，從而降低了CO的生成速率。上述結(jié)果與表1中CONE和FP的測(cè)試原理相呼應(yīng)。

2.3 殘?zhí)啃蚊矊?duì)比分析

PB和FRPB在FP、SBI和CONE測(cè)試后的實(shí)物及殘?zhí)繉?duì)比圖分別如圖6所示。圖6A-2、B-2、C-2為PB在FP、SBI和CONE測(cè)試后的實(shí)物圖，圖中殘?zhí)烤尸F(xiàn)不同程度的灰白色，說(shuō)明樣品燃燒較完全，其中CONE測(cè)試(圖6C-2)的樣品已完全燃燒，這與CONE測(cè)試中煙氣生成速率降低幅度最大的規(guī)律保持一致。圖6A-3、B-3、C-3為FRPB在FP、SBI和CONE測(cè)試后的實(shí)物圖，殘?zhí)款伾珵樯詈谏?，炭層厚?shí)且有一定強(qiáng)度。從SEM圖可以看出，圖6A-1、B-1、C-1均呈現(xiàn)疏松多孔的炭層形貌，炭層品質(zhì)較差；而圖6A-4、B-4、C-4的炭層均為致密結(jié)構(gòu)，具有較好的隔熱隔氧功能，在燃燒中阻止火焰蔓延，發(fā)揮了阻燃作用。

注：1, 2分別為PB燃燒后的殘?zhí)考癝EM；3, 4分別為FRPB燃燒后的殘?zhí)考癝EM。圖6 試樣在FP(A)、SBI(B)和CONE(C)測(cè)試后的實(shí)物及殘?zhí)繉?duì)比圖Fig. 6 Comparison of char morphology after FP (A), SBI (B) and CONE (C) tests

3 結(jié) 論

1)在本試驗(yàn)條件下，與PB相比較，F(xiàn)RPB的HRR、THR和FIGRA、S值均降低，SPR、TSP和SMOGRA也均降低，提高了阻燃性和抑煙性。

2)在本試驗(yàn)條件下，相比于PB，F(xiàn)RPB(達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624—2012中B1-B級(jí)要求)在3種測(cè)試方法中的熱釋放量降低趨勢(shì)分別為：THR600s(SBI)降低了77.9%，THR600s(CONE)降低了42.1%，F(xiàn)P測(cè)試的平均溫升峰值降低了4.2%；燃燒指數(shù)的降低趨勢(shì)為：FIGRA0.2MJ(SBI)降低了75.5%，F(xiàn)IGRA0.2MJ(CONE)降低了72.5%；S值降低了91.1%。試驗(yàn)結(jié)果可為阻燃刨花板的燃燒性能等級(jí)評(píng)定提供一種經(jīng)驗(yàn)參考值。

3)本研究通過(guò)對(duì)SBI、CONE和FP測(cè)試中燃燒指數(shù)、產(chǎn)煙規(guī)律及炭層形貌的對(duì)比分析，為進(jìn)一步完善阻燃刨花板的燃燒機(jī)理和性能評(píng)價(jià)體系奠定基礎(chǔ)。后續(xù)研究將繼續(xù)開(kāi)展不同類(lèi)型、阻燃等級(jí)的木質(zhì)材料對(duì)比測(cè)試，旨在為阻燃木質(zhì)材料的相關(guān)研究者以及企業(yè)生產(chǎn)提供參考。