貼面工藝對合成板材燃燒性能的影響*

李 德，黃冬梅，何理輝，許之浩，陳 晨，沈一鳴，王超逸，韓 磊

(1.中國計量大學 質量與安全工程學院，浙江 杭州 310018；2.浙江省家具與五金研究所,浙江 杭州 311100；3.中國電子工程設計院有限公司,北京 100142)

0 引言

木材是日常生活中使用最為廣泛的建筑、家居材料[1]，但由于天然木材資源短缺，近年來人造板使用量大大提升。常見的合成板包括膠合板、中密度板、刨花板等，其基料常由植物碎料、纖維素等組成[2-4]，一定程度上保留了木質材料的基本性質。常見木材類材料燃燒性能的測試方法有煙密度、單體燃燒法、極限氧指數測試法、錐形量熱儀法等[5]。錐形量熱儀表征燃燒性能應用更為廣泛，衡量參數與指標更加全面[6]。學者對部分天然木材的燃燒性能進行了大量研究，例如松木[7-8]、櫸木[8]、杉木[9-10]、楊木[9,11]等。盧國建等[7]以松木為研究對象，探究了其阻燃處理前后燃燒性能的變化，結果表明，普通木材燃燒會出現2個熱釋放速率峰值，經過阻燃處理的松木的燃燒波峰出現時間推遲。張瑩等[8]用錐形量熱儀法探究了櫸木、松木的燃燒性能，指出聚磷酸銨阻燃劑是利用揮發物中的PO游離基捕獲火焰中的OH、H游離基。吳玉章等[9]探究了杉木、楊木、馬尾松的燃燒性能，研究表明釋熱與失重變化相關，木材在碳化結束后煙氣量最大，同時樣品的厚度對第2釋熱峰的影響較大，而對點火時間、總釋熱量影響不大。蒙旺等[11],戚虎成等[12]用浸漬阻燃法處理杉木和青楊，結果表明經過阻燃處理后的樣品熱釋放速率峰值不明顯。此外，基于對天然木材的研究，近年來，合成板材也備受關注。張麗娟[13]對常用裝飾裝修板材(實木板、三合板、多層板、高密度板、中密度板、低密度板)進行研究，結果表明實木板熱釋放速率、生煙量相對較低、火災危險性相對最小。Shu 等[14]探究了竹地板燃燒性能，結果表明竹地板覆蓋層較木質覆蓋層危險性更大；對木塑復合材料進行探究發現，WPC釋熱與發煙高于普通林木材。

綜上所述，目前國內外對天然木材燃燒特性方面的研究較多，合成板材也有涉及，但關于合成板材貼面材質對樣品燃燒特性方面的研究較少。同時，近年來，為了滿足人們對功能、美觀度等方面的需求，貼面處理后的合成板需求越來越多。因此，本文利用錐形量熱儀法探究不同貼面處理技術對合成板燃燒性能的影響，以判斷在實際應用過程中，其火災危險性大小。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

1)合成板材：膠合板、中密度板、刨花板，由浙江省木材研究所提供。

2)游標卡尺：尺寸為150 mm×0.02 mm，由杭州華益工具量具有限公司提供。

3)電子秤：精度為0.1 mg，由舜宇恒平儀器制造提供。

4)切割機：由邢臺創拓機械制造有限公司提供。

5)錐形量熱儀：3092820，由英國STANTON REDCROFT公司提供，如圖1所示。

圖1 錐形量熱儀Fig.1 Cone calorimeter

1.2 試驗方法

ISO5600-1錐形量熱儀法是目前較為先進、可信度較高的一種表征材料燃燒性能的方法，其基于氧耗法測試樣品的燃燒性能。在試驗開始前，用切割機將大塊人造板切割成尺寸為100 mm×100 mm的小塊，用游標卡尺選取厚度為10 mm的材料作為待測樣品，同時用電子天平測量初始質量。樣品準備完成后，在錐形量熱儀標配樣品盒底部墊隔熱板，避免樣品盒底部高溫對稱量裝置的影響。在樣品盒內部鋪錫箔紙，避免燃燒過程中殘余物掉落，污染樣品盒與試驗臺。準備完成后，依據ISO5600-1標準中規定的測試程序進行測試。通過在表面施加一定輻射熱流，用錐量自帶點火器點燃待測樣品。在錐形量熱儀測試過程中，伴隨著大量的熱量與煙氣的產生，因此，錐量試驗臺外側有玻璃罩防護、錐量試驗臺火焰上方有煙氣收集及排放裝置，確保試驗安全進行。

燃燒過程往往涉及許多參數變化，例如熱釋放速率、失重速率、排煙量等，數據實時傳輸到計算機，以便進一步比較與分析。

2 試驗結果與討論

本文選取3種常見的合成板材：膠合板、中密度板、刨花板作為研究對象。通過分析熱釋放速率、總釋放熱、質量損失、生煙總量、CO2產率對比3種常見合成板材經過貼薄木片、貼浸漬紙處理后燃燒性能的變化，以評定經過表面處理技術處理后的合成板材的火災危險性。

2.1 熱釋放速率

材料放熱率是材料在輻射通量的作用下釋放的熱量，其中峰值熱釋放速率是一個重要的參數，其值越大，證明材料的火災危險性越高。合成板材樣品被點燃后，熱釋放速率迅速增大至第1個峰值。由于合成板材的基料選自木材、木質纖維素、植物纖維等，被點燃后迅速碳化，在樣品表面形成了1個碳化層，碳化層阻礙了底部熱量的傳輸，因此曲線達到第1個峰值后下降。隨著燃燒的繼續進行，生成的熱量與可燃氣體不斷堆積，直至碳層被破壞后，燃燒愈加劇烈。隨后，熱釋放速率波動增加，直至到達第2個峰值。不同合成板材的峰值數值及貼面處理后的峰值數值等參數的變化情況如表1所示。

圖2為不同板材的熱釋放速率，如圖2所示，其中膠合板的波動頻率最大，說明其燃燒較不穩定，這是由于受到膠合板的膠合工藝及基材自身的性質影響。膠合板經過貼薄木片、貼浸漬紙處理后，燃燒時間延長，峰值均降低。貼薄木片處理后，膠合板的第1峰值熱釋放速率由316.12 kW/m2下降到203.65 kW/m2，下降了35.58%，而貼浸漬紙處理后，膠合板的第1峰值熱釋放速率由316.12 kW/m2下降到148.30 kW/m2，下降了53.09%；貼薄木片、貼浸漬紙處理后膠合板的第2峰值由382.61 kW/m2分別下降到184.66，179.52 kW/m2，下降比例約為51.73%，53.08%。這說明，在燃燒前期，相較于薄木片，貼浸漬紙處理技術能更大幅度降低膠合板熱釋放速率，而在燃燒后期二者效果相近。

表1 熱釋放速率相關參數Table 1 Relevant parameters of heat release rate

中密度板貼薄木片與貼浸漬紙處理后，在燃燒前期，熱釋放速率由345.73 kW/m2分別下降到185.48，173.63 kW/m2，下降幅度相近。不同的是，中密度板貼浸漬紙后，在燃燒后期熱釋放速率比未貼面處理后的板材高，貼薄木片處理反之。刨花板經過貼浸漬紙處理后，熱釋放速率在2個峰值處都增加，而刨花板表面貼薄木片處理后，其熱釋放速率降低。

圖2 熱釋放速率Fig.2 Heat release rate

膠合板經貼面處理后的熱釋放速率變化較為明顯，在第200～630 s熱釋放速率變化為50～100 kW/m2，燃燒比較穩定。而中密度板和刨花板并未出現此穩定燃燒期。貼面工藝對板材熱釋放速率的影響如圖3所示，貼面層燃燒形成了碳層附著于板材表面，減少了熱量損失，因此熱釋放速率降低。

圖3 貼面工藝對板材熱釋放熱量影響示意Fig.3 Schematic diagram for influence of veneering technology on heat release of board

2.2 總釋放熱量

物質的燃燒伴隨著熱量的變化，THR是燃燒過程中累積的總放熱量，THR的數值越大，證明材料被引燃后，釋放的熱量越大，累積熱量越大[6]。高熱量是火災發生時的主要危害之一。因此，判斷樣品的THR值大小，可以預測其火災危險性大小，THR越大，火災危險性越大，反之則相反。總釋放熱量如圖4所示，在整個燃燒過程中，曲線的THR值呈“S”形，即總釋放熱值先緩慢增長，隨后快速增長，最后又趨于緩慢增長。膠合板經過貼薄木片與浸漬紙處理后，總釋放熱量明顯降低，貼浸漬紙處理后的膠合板THR值略低于貼薄木片處理后的膠合板。中密度板貼浸漬紙與薄木片處理后THR值略有降低，貼浸漬紙處理后的中密度板THR下降幅度更大。刨花板經過貼面處理后，THR值高低變化不明顯，反而，經過貼浸漬紙處理后的刨花板延長了產熱時間。

2.3 質量損失

樣品的質量損失如圖5所示。樣品在燃燒過程中，質量的變化反應了燃燒的劇烈程度及樣品本身的耐燃性能[15]。圖5中，膠合板的質量損失曲線斜率最大，說明膠合板更易燃且燃燒劇烈。膠合板經過貼薄木片與貼浸漬紙處理后，曲線變緩，質量損失率降低。中密度板貼面處理后，質量損失率也降低。不同的是，相較于貼薄木片處理，中密度板貼浸漬紙處理后，對中密度板的耐燃性能提高效果更顯著。刨花板的現象較為特殊，貼浸漬紙處理后，刨花板的質量損失率增大，而貼薄木片處理后，刨花板的質量損失率降低。

圖4 總釋放熱量Fig.4 Total heat release

圖5 質量損失Fig.5 Mass loss

合成板材燃燒后會生成殘渣。殘渣的主要成分是燃燒過程中生成的碳層，碳層對燃燒過程中的熱量釋放起到抑制作用，碳層量越多，一定程度可以推斷出阻燃效果越好。3種合成板材的殘渣質量如圖6所示。膠合板的質量損失最低，燃燒最完全。貼薄木片、貼浸漬紙處理后的3種合成板材的殘渣質量均有增加，這可能是由于貼面面層自身性質引起的。

圖6 殘渣質量Fig.6 Quality of residue

2.4 TSR值

TSR表示單位面積樣品燃燒過程中累計生煙總量，TSR值越小代表煙氣相對較少[6]。合成板材的TSR值變化規律相似。TSR值先增加，隨后到達平緩期，最后由平緩期再次增加。樣品的生煙總量如圖7所示，膠合板的TSR值最大，最大值為438.42 m2/m2。膠合板經過貼薄木片、貼浸漬紙處理后，最大TSR值為180.14，125.06 m2/m2，分別下降了58.91%，71.47%。中密度板最大TSR值為242.10 m2/m2，經過貼薄木片、貼浸漬紙處理后，最大TSR值為139.44，172.98 m2/m2，分別下降了42.40%，28.56%。刨花板的最大TSR值為100.60 m2/m2，經過貼薄木片、貼浸漬紙處理后，最大TSR值分別增加至133.09，128.70 m2/m2，增加了24.41%，27.93%。煙氣排放量是衡量火災危險性的重要指標之一。由以上數據分析可得，膠合板經2種貼面工藝處理后TSR值都降低，貼浸漬紙效果更為明顯。中密度板經2種貼面工藝處理后的抑煙效果雖不及膠合板，但仍在一定程度上減少了煙氣的排放量。貼面處理后的膠合板和中密度板排煙量的減少是因為貼面材質燃燒生成的附著層起到了抑煙作用，而刨花板因其自身結構問題，燃燒時產煙量較少，因此貼面層燃燒產生的附著層對整個板材的抑煙作用便沒有太大意義，反而因為貼面層燃燒釋放的煙氣使得刨花板產煙量增大。

圖7 生煙總量Fig.7 Total smoke release

2.5 CO2產率

合成板材的原材料是木材、植物纖維素等，燃燒時與O2充分反應生成CO2。在燃燒初期，CO2達到第1峰值，隨著燃燒的進行，減弱后又再次增長至第2峰值。曲線與HRR值曲線有著相似的變化規律，可見在合成板材燃燒的過程中，熱量的產生伴隨著CO2的釋放，CO2產率與有效燃燒熱呈正相關關系，即CO2濃度越高，有效燃燒熱也越大。合成板材CO2產率峰值如表2所示。

表2 CO2產率峰值Table 2 Peak value of CO2 yield

3種板材及貼面的第1峰值時間出現在50～100 s，第2峰值出現的時間差異性較大，這是由于合成板材自身性質引起的。膠合板經貼薄木片和貼浸漬紙處理后，CO2產率第1峰值分別下降了24.61%,46.60%，第2峰值分別下降了50.68%,48.99%；中密度板經貼薄木片與貼浸漬紙處理后，CO2產率第1峰值分別下降了13.87%,25.43%，貼薄木片第2峰值下降了23.03%，貼浸漬紙增加了9.21%。刨花板經貼薄木片和貼浸漬紙處理第1峰值分別增加了19.64%,0.09%，貼薄木板后第2峰值下降了20.18%,貼浸漬紙增加了0.09%。膠合板經過貼薄木片與貼浸漬紙處理后，第1峰值與第2峰值均下降。其中，膠合板貼浸漬紙處理后，在燃燒初期釋放出的CO2較少，而膠合板貼薄木片處理后，在燃燒后期釋放的CO2較低。中密度纖維板貼薄木片處理后第1、第2峰值都下降，而中密度板貼浸漬紙在燃燒前期CO2產量降低，而在燃燒后期CO2產量升高。刨花板本身CO2產量較小，經2種貼面工藝處理后，CO2出現了短暫的突增，是因為貼面層的燃燒造成了CO2的排放，后期由于貼面層燃燒完全,CO2排放量近似于未進行貼面處理的刨花板的CO2排放量。

2.6 試驗結果分析

在各個燃燒性能指標中，HRR值、質量損失、CO2產量變化規律相似，一定程度上說明CO2氣體的產生伴隨著熱量的生成。貼面處理后，在整個燃燒過程中，膠合板與中密度板的總釋放熱明顯減少。在材料總產煙方面，一方面，貼面面層材質燃燒后生成附著物附著在樣品表面，阻礙煙氣的生成；另一方面，貼面面層本身也對煙氣有貢獻，因此，材料總產煙量變化取決于2方面貢獻的多少。經過貼面處理后，膠合板與中密度板的TSR值明顯減少，而刨花板的TSR值增加。

3 結論

1)基于3種常用的合成板材，采用錐形量熱儀法探究了貼面處理技術(貼薄木片、貼浸漬紙)對合成板材燃燒性能的影響，從而評定板材的火災危險性。

2)HRR值與CO2變化規律相似，表明人工合成板材的燃燒過程中CO2的產生伴隨著大量熱量的釋放。

3)刨花板自身產煙量低，貼面處理后產煙量增加，煙氣危害性大。而膠合板、中密度板貼面處理后，抑煙效果相對明顯。

4)貼薄木片與貼浸漬紙技術明顯降低了膠合板的火災危險性；貼薄木片技術明顯降低了中密度板的火災危險性；貼浸漬紙增加了刨花板與中密度板的火災危險性。