• 木质材料阻燃技术——密度板阻燃防霉性能的研究

  • 时间2013-12-12 02:32作者admin浏览次数

第三章密度板阻燃剂和防霉剂的选择

3.1密度板阻燃剂的选择 3.1.1木质材料阻燃剂的概念

木质材料阻燃剂是一类能附加在木质材料上使其难以燃烧的物质,其阻燃作 用往往是借助多种化学物质间的协同效用来完成的,各种化学成分之间互相强 化、互相补充来达到增强阻燃效果的作用。

目前,应用于木质材料的阻燃剂主要是水溶剂型,主要添加方法是浸注法。 密度板由于其生产工艺的特点,即可用浸注法,也可用填加法,各有利弊。本文 釆用的是填加法。

3.1.2木质材料阻燃剂的分类

应用于木质材料的阻燃剂种类繁多,常见的分类方法如下[42]:

(1)按阻燃剂与被阻燃木质材料的关系,阻燃剂可分为添加型及反应型两大 类。目前使用的阻燃剂85%为添加型,仅有15%为反应型。

(2)按阻燃元素种类,阻燃剂可分为卤系(溴系及氯系)、有机磷系及卤磷 系、磷氮系、氯系、,娃系、锑系、铝镁系、无机磷系、硼系、铝系、锡系等。

(3)按阻燃剂的化学结构分三大类:无机阻燃剂、有机阻燃剂、树脂型阻燃 剂。在所有化学物质中,能够使高分子材料起到阻燃作用的主要是元素周期表中 第 V 族的 N、P、As、Sb 和第 VII 族的 F、Cl、Br、I 及 B、AI、Mg、Ca、Zn> Sn、Mo等的化合物。目前常见的有N、Pb、Sb、Cl、Br、B和Al这些元素的无 机化合物和有机化合物。

3.1.3常用木质材料阻燃剂的特点

按阻燃剂的化学结构分类法分析常用木质材料阻燃剂的特点如下:

(1)无机阻燃剂

无机阻燃剂发展最早,阻燃效果好、具有热稳定性好、无析出、不挥发、无 毒、不产生腐蚀性气体、来源广泛、价格低廉和安全性比较高等特点,近年来国 内外发展很快。1984年,美国无机阻燃剂消耗量占阻燃剂总消费量的54%以上, 日本占64%。最常使用的无机阻燃剂是磷系阻燃剂、氮系阻燃剂、鹵系阻燃剂、 硼系阻燃剂及碱金属[^]。

上述化学物质具有各不同的阻燃机理,对木质材料进行阻燃处理用单一成
分的无机阻燃剂很难达到理想的阻燃效果。通常使用多种阻燃剂协调作用,将它 们按一定比例混合后使用,提高阻燃效果,同时降低了阻燃剂用量,减少了阻燃 木质材料的物理、力学性能的损失。

无机阻燃剂的优点是阻燃效果好、价格低廉、来源广泛。目前无机阻燃剂的 使用量占阻燃剂总使用量的60%左右。缺点是易流失,影响阻燃效果。

下面为几种主要的木质材料无机阻燃剂:

①磷-氮系:

在木质材料的热分解过程中,磷-氮系阻燃剂具有降低热分解温度,增加炭 的生成,减少可燃性气体的产生以及降低热量等作用[45"47]。这类阻燃剂主要是磷 酸盐及聚磷酸盐,如磷酸二氢铵(MAP)、聚磷酸铵等,磷酸二氢铵是用得最多的 磷一氮系阻燃剂。这类阻燃剂也是木质材料最好的阻燃剂。若含磷化合物与含卤 化合物混用还可抑制材料的表面燃烧。

目前应用的氮系阻燃剂主要是三嗪类化合物,即三聚氰胺(MA)及其盐(氰 尿酸盐、磷酸盐、肌盐及双氰胺盐),可单独使用,也可混合使用。

三嗪阻燃剂主要通过分解吸热及生成不燃气体以稀释可燃物而发挥作用。它 们的主要优点是无色、无卤、低毒、低烟、不产生腐蚀气体、价廉、抗紫外照射 等。主要缺点是阻燃效率欠佳,相容性不好,不利于分散,使被阻燃物粘度增高 等。主要缺点是阻燃效率欠佳,相容性不好,不利于分散,使被阻燃物粘度增高 等。目前国内该系列阻燃剂研制效果较好、原理探讨比较深的是FRW型阻燃剂。 该阻燃剂由东北林业大学相关学者研制成功,并做了一系列相关研究。王清文^8"503 等研究发现,FRff阻燃木质材料受热时随温度的升高,在FRtf及其分解产物的催 化下,木质材料逐步发生聚糖脱水、半纤维素脱乙酸、聚糖降解、木质素降解、 木质材料热解产物聚合、脂肪族聚合物脱氧及芳构化等反应,最终炭化,从而改 变木质材料热解途径,显著降低挥发性有机化合物的生成量。刘迎涛wm、王清 文[53%等提出了 FRW的阻燃机理是:FRW阻燃木质材料受热时,FRW分解产生不 燃性气体和不挥发的酸性熔融物质,具有降低体系温度和氧气浓度及屏蔽热辐射 的作用,降低了木质材料的热解速度,FRW的组分BA和磷酸脒基脲(GUP)的酸性 分解产物催化木质材料脱水、降解,以及木质材料热解产物的缩合、聚合、芳构 化等反应,能改变木质材料的热解途径并使其向着有利于炭化的方向变化,FRW
显著的催化成炭作用使阻燃木质材料的燃烧放热量大大降低,这是FRW阻燃机理 的主要方面;另外,BA与GUP起阻燃作用的温度和方式不同,并有相互补充的 作用,因而表现出阻燃协同效应。

②卤素及其化合物

该系阻燃作用主要表现在着火及燃烧阶段。卤化物受热分解生成卤化氢, 它能使火焰熄灭,被称为“中毒效应' 因为卤化氢能传递燃烧链式反应的活性 自由基(如H0_,H« ),使高活性降低并使燃烧减缓或消失。研究结果表明:阻 燃效果为HI > HBr > HCI > HF ,但碘化物太不稳定;溴化物成本高、毒性大, 只有含氯阻燃剂适用于木质材料。

主要种类有 MgCl2 , AICI3 , ZnCl2,NKCl 等。

该类阻燃剂的优点是氯化物与锑化合物并用具有明显的灭火作用,经氯化 物处理的木质材料还具有一定的防虫和防腐作用;缺点是具有较高的吸湿性和潮 解性,对木质材料的物理、力学性质产生不良影响。另外氯有破坏臭氧层的作用, 不环保。

③硼化合物

硼砂在火焰温度下可熔融,并覆盖在材料表面,割断氧气供给,从而阻止 了木质材料的着火和火焰传播。若硼砂与硼酸的配比合理,有可能完全控制木 质材料的有焰表面燃烧。

应用较多的化合物有硼砂、硼酸及其碱金属盐、铵盐等。

硼化合物的优点是阻燃效果明显;缺点是对水的溶解性较低,混合物难以 •以水合离子形式向木质材料中渗入。

④金属氢氧化物

金属氢氧化物在高温下能分解释放出水分子,从而延缓木质材料的热降解 速度,减缓或抑制木质材料的燃烧,并促进炭化和抑烟;另外,释放出的大量水 汽可稀释可燃物的浓度,致使系统放热减小,燃烧中断。

应用较多的是A1(0H)3和Mg(0H)2。

其优点是燃烧不产生有毒气体和腐蚀性气体、本身无毒、抑烟、不受水影 响、不挥发、价廉;缺点是添加量高,严重影响木质材料的物理、机械性能及加 工性能,A1(0H)3起始分解温度较低难以适用于高温加工的材料,Mg(0H)2稍高。 随着人们环保意识的加强,对无卤、低烟、低毒的要求越来越高,使该系阻燃剂