摘要：本文研究了红麻轻质阻燃板的生产技术，产品理想的生产工艺参数为：阻燃剂用量 14=、成形压力4. 0 MPa、胶粘剂用量10%、热压时间为60s. mm-1热压温度120°C。产品的力学性 能和阻燃性能指标如下:静曲强度&31. 85 MPa;密度'0. 52 g • cm-3 ;氧指数41% ~ 50%; 2分 钟热释放率'80 kW • min • m-2,达到了相关标准的要求。
关键词：红麻轻质人造板;力学性能；阻燃性能 中图分类号:TS653. 5 文献标志码:A
木材是重要的工业、工程用材料，也是人类不可缺少的生活用材料。随着经济的发展和人口的 增加，人类对林木产品的需求不断增长。据国家林业局统计，2002年国内人造板总产量为2930万 m3,其中纤维板767万m3,刨花板369万m3,胶合板1135万m3,其他人造板659万m3;003年总产 量为4553万m3,其中纤维板1128万m3,刨花板547万m3,胶合板2102万m3,其他人造板776万 m3。为了保护人类赖以生存的地球环境，世界各国对林木的采伐量都加以限制。为了永续利用现有 的木材资源，同时又能满足人造板工业的迅速发展对木质纤维的迫切需求，各种木材等植物纤维 资源成为人造板生产高效利用的重要原料。红麻是锦葵科木槿属一年生喜温、短日、常异交纤维作 物，具有耐旱、耐盐碱、耐贫瘠、易栽培、纤维产量高等特性，以其巨大的生物产量为树木的3-4 倍）、极强的二氧化碳吸收能力比森林大4-5倍)倍受关注，美国、日本等发达国家把红麻列为21 世纪的优势作物[1]，是麻纺和造纸及轻型建材工业的重要原料。
目前，我国生产的人造板绝大多数未经过阻燃处理，人造板的易燃性带来相应的消防问题。据 公安部消防局公布的资料表明：近几年来，全国每年发生火灾4万多起，造成直接经济损失十多亿 元，死伤数千人。据分析:21%火灾由木材等纤维材料引起，而住宅火灾70%是因木质材料缺乏耐 火性而引起。如今全社会都非常关注防御火灾整体实力的提高，为此，我国消防法对建筑、车、船等 内装修重要部件所用木质材料都要求达到一定的耐火等级。因此，对木材和人造板进行阻燃处理 是一项重要而紧迫的工作。由于各种阻燃剂的阻燃效果不同，配比不同所产生的阻燃效果也不一 样，而且阻燃剂对人造板的物理力学性能也有一定影响，阻燃剂添加量越多影响也越大。因此，选 择阻燃剂时应根据其物理化学性质和它们之间的作用等因素，权衡考虑而定之。目前已有上百种 阻燃剂投放市场，根据木质材料阻燃剂朝着低吸潮、抗流失、低毒、低污染等方向发展的特点[2，3]，在 查阅有关文献资料的基础上，经过比较和筛选，最后确定采用由聚磷酸胺、三聚氰胺、季戊四醇、氢 氧化铝混合制成的复合树脂型阻燃剂为本次试验的阻燃剂。
=
试验热压机、木材万能力学试验机、：！氧指数测定仪、热释放率测试系统等。
=< ? 检测方法
阻燃人造板的物理力学性能根据0丑/( >2"1 :22测定。阻燃性能之氧指数参照0丑/( 2406— >?测定，水平与垂直燃烧性能参照GB 2408—80与GB 4609—84测定，热释放率根据美国材料试 验标准ASTM E ： >06测定w。
1.4 试验方案
试验采用l9 34)正交试验方案，见表1。考察施胶量、阻燃剂用量、热压温度、压力等几个主要因 素对阻燃人造板的力学性能和阻燃性能的影响。其它工艺参数:干燥温度105 ±2C、施加胶粘剂前
红麻茎的含水率在5% ~ 8%、热压时间60 s • mm： 1。
表1 正交试验因素水平表
Table. 1 Orthogonal experimental factors and levels
水平 因素
施胶量 阻燃剂用量/% 热压温度/X 压力/Mpa
1 10 12 105 2. 4
2 12 14 120 3. 2
3 14 16 135 4. 0
2结果与分析
2. 1 试验结果
红麻轻质阻燃人造板的力学性能和阻燃性能检测结果，见表2与表3。 2. 2极差分析
表2 力学性能检测结果
Table. 2 Tested results of mechanical properties
试 施胶量 阻燃剂用量 热压温度 压力 静曲强度 膨胀率 密度/
件 /% /% /C /MPa MPa /% g • cm3
1 10 2 135 3.2 8. 69 9. 8 0. 414
2 12 2 105 2. 4 13. 13 12.18 0. 358
3 14 2 120 4. 0 10. 25 18.18 0.395
4 10 4 120 2. 4 33. 40 14.07 0. 524
5 12 4 135 4. 0 32. 00 22. 42 0. 526
6 14 4 105 3. 2 44. 95 8. 69 0. 502
7 10 6 105 4. 0 57. 99 10.17 0. 586
8 12 6 120 3. 2 20. 57 9. 05 0. 431
9 14 6 135 2.4 45.61 16. 90 0. 404
表3 阻燃性能检测结果
Table. 3 Tested results of flame : retarding properties
试 施胶量 阻燃剂用量 热压温度 压力 氧指数 2min热释放率 5 min 热释放率
件 /% /% /C /MPa /% /kW ■ min • m：2 /kW ■ min ■ m：2
1 10 12 135 3. 2 46.0 76. 68 370. 00
2 12 12 105 2. 4 40. 0 114. 00 368. 62
3 14 12 120 4. 0 46. 0 91. 56 365.32
4 10 14 120 2. 4 52. 0 43.06 213.77
5 12 14 135 4. 0 46. 5 45.20 346. 24
6 14 14 105 3. 2 46. 0 58. 01 247.24
7 10 16 105 4. 0 44. 0 57. 55 310. 57
8 12 16 120 3. 2 44. 0 93.76 339. 29
9 14 16 135 2. 4 49.0 118. 64 328.56
根据试验结果对各项性能指标进行极差分析，见表4。由表4可知，对红麻轻质阻燃人造板 静曲强度的影响依次为：阻燃剂量>热压温度>施胶量>压力；对吸水厚度膨胀率的影响依次为： 压力>热压温度>施胶量>阻燃剂用量；对密度的影响依次为：阻燃剂用量>施胶量（压力>热压温 度；对氧指数和热释放率的影响依次为：阻燃剂量>施胶量>热压温度>压力。
表4 阻燃人造板性能极差分析
Tab. 4 Difference analysis of properties of flame retardant panel
因素 静曲强度 /Mpa 吸水厚度膨胀率 /% 密度 /g • cm-3 氧指数 /% 2 min热释放率 /kW • min • m-2 5min 热释放率 /kW • min • m-2
涂胶量 35. 10 9. 73 0. 223 11.5 30. 03 86. 60
阻燃剂量 92. 17 9. 06 0. 385 17.5 45.33 132. 02
热压温度 51. 86 18. 08 0. 102 12.0 24. 12 75. 48
压力 26. 13 23. 17 0. 221 5. 5 17.13 70. 39
2. 3分析讨论
从木材的燃烧过程分析，木材在100~150°C之间以蒸发水分吸热反应为主，热分解极其微 弱。150~200 °C时热分解开始加快，如遇持续的外火源有可能被点燃。随着温度的升高热分解 加剧，由吸热变成放热。225 ~290 °C是木材的燃点范围，热分解放出的可燃气体足以与氧气剧 烈反应形成木材的气相燃烧。同时木材表面在足够的温度下也可与氧气反应形成固相燃烧，燃烧 放出大量的热量又加速热分解，如此循环往复使火越烧越旺，直至烧尽。根据木材燃烧过程，可 知阻燃途径有三：抑制热传递；抑制高温下的热分解；抑制气相及固相的氧化反应[5]。
试验使用自行研制的有机树脂型阻燃剂，其阻燃机理卜1。]如下：聚磷酸铵在225 S时分解 生成聚磷酸和氨气，生成的氨气稀释了氧气的浓度，在气相起阻止燃烧的作用。聚磷酸是强脱水 剂，尤其是在高温下促进碳化及有机物脱水成碳，形成均匀的泡沬碳质层。聚磷酸还会形成固相 层覆盖在泡沬碳质层的表面，隔绝空气和热量，在固相起阻止燃烧的作用。季戊四醇在聚磷酸质 子的催化作用下，发生分子间或分子内的脱水反应，在高温下进一步发生脱氢、碳化、化学键断 裂等多种较复杂的化学反应，最后形成碳质层结构。三聚氰胺受热分解放出氨气，同时生成碳。 氨气既可稀释氧气的浓度，又可将碳质层吹起，形成一种多孔状的泡沬碳质层，其本身不燃烧， 又有很好的隔氧、隔热的作用，有效地阻止燃烧的继续进行。氢氧化铝加热到300 °C失水形成 AlO 0H)，当加热到450 °C失水产生AI2O3。AI2O3是惰性吸热载体，能减缓木材燃烧速度，提 高阻燃效果。
从阻燃剂用量、施胶量、热压温度、压力等因素与水平来考察试件各项指标可知，较为理想 的红麻轻质阻燃人造板的制造工艺为：阻燃剂用量14%、施胶量10%、热压温度120 °C、压力 4.0 MPa。依此压制的红麻轻质阻燃人造板，其静曲强度&31. 85 MPa、密度'0. 52 g • cm-3、氧 指数41% -50%、水平燃烧性达到GB 2408—80/ I ~ "，垂直燃烧性能达到FV -0、2 min热释 放率'80 kW • min • m-2。用HRR3热释放率测试系统检测红麻轻质阻燃人造板材料的燃烧过 程，其5 min内材料燃烧的吸热与放热状态变化如图1所示：燃烧过程前2 min热释放量约为 63. 8 kW • min • m-2，热释放率高峰期出现在燃烧过程的1 ~ 1. 5 min，峰值约为75 kW • m-2出 现在燃烧过程的第72 s，以后热释放率逐渐降低，从而抑制材料燃烧过程。作为对照的未施加阻 燃剂的红麻轻质阻燃人造板，其静曲强度& 34.85 MPa、密度'0. 52 g • cm-3、氧指数20% ~ 25%、其5 min内材料燃烧的吸热与放热状态变化如图2所示：燃烧过程前2 min热释放量约为 147. 3 kW • min • m-2，热释放率的峰值约为292. 2 kW • m-2,出现在燃烧过程的第172 s。
从图1、图2对比可知,经阻燃处理,热释放率显著降低。
2. 4 成本估算
红麻轻质阻燃人造板与普通胶合板相比较，按此法生产的阻燃人造板每立方米的生产成本约 增加人民币380元。
时间A
图2未阻燃处理人造板燃烧时的吸热与放热状
Figure. Heat absorbing and discharging heat state of flame untreated panel during burning
3 结论
试验使用的有机树脂型阻燃剂对红麻轻质阻燃人造板的阻燃性能良好、阻燃效果显著,产品的 各项性能指标为：含水率6% 6 145、静曲强度&31. 85 MPa、密度'0. 52 g • cm-3、氧指数41% ~ 505、水平燃烧性达到GB 2408—80/ I ~ II，垂直燃烧性能达到FV - 0、2 min热释放率'80 kW •
min • m-2，达到了相关标准的要求。
利用红麻茎生产轻质阻燃人造板，不仅可以提高红麻的综合利用率，增加广大麻农的经济收 入，而且对缓解我国因森林资源严重缺乏所造成的木材供应总量不足的矛盾，对保护人类赖以生存 的地球环境，维护日益恶化的生态环境,促进国民经济建设,改善人民生活环境，保护人民生命财产 安全等方面都具有极其重大的现实意义，具有极高的经济效益、社会效益和生态效益。
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