国内外阻燃木质材料技术发展和应用
(原文刊登在《地板专家》杂志2009年10月刊)
撰文 陈志林 （中国林科院木材工业研究所副研究员）
火灾是危害社会公共安全的隐患，因此防火减灾是创建和谐社会重要内容之一。2008年共发生火灾13．3万起，死亡1385人，受伤684人，直接财产损失15亿元，为了降低公共场所的火灾危险性，减轻火灾危害，推动阻燃制品在公共场所的应用，公安部消防局组织制定了强制性国家标准《公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求和标识》，于2006年6月19日发布，2007年3月1日实施；2007年4月10日，公安部下发了关于印发《阻燃制品标识管理办法（试行）》的通知（公消[2007]122号）：强调贯彻GB20286-2006标准；2007年12月7日，公安部《关于进一步加强公共场所阻燃制品管理工作的通知》（公消[2007]503号）进一步强调：2008年7月1日之后，凡是使用不符合该标准的阻燃制品者，对该公共场所的消防验收或者开业前消防安全检查一律不得予以通过。按照新标准要求，普通木质地板、家具、人造板将无缘公共场所的装饰和装修市场，这对木材加工行业的发展将会产生重大影响。
木材燃烧及其火灾的危害
木材是重要的建筑材料，木材及其制品是家具、装饰、包装及其印刷行业的重要原料，与人类生产密切相关。木材是具有热降解和燃烧性质的材料，从生物质能源到建筑材料的应用利用了这种良好的性能，木制品能够具有可燃的损毁性，少许的热降解就会影响其结构性能，所以了解热降解和燃烧性能有利于认识材料的应用。一定条件下，木材暴露在火中或者在高温热源下会发生热降解和燃烧，燃烧伴随有热释放和化学发光，木材的热分解被认为是纤维素、半纤维素和木素三种主要组分的热分解的综合表现，通常看成这三种成分独立热分解的线性叠加。纤维素和半纤维素主要产生挥发性物质，木素主要分解形成炭。
1997年到2006年间，美国每年发生火灾数量、伤亡人数和直接经济损失。2006年发生火灾发生160多万起，死亡人数3245人，伤16400多人，直接经济损失11亿美元，其中建筑物火灾占32％，伤亡人数占80％以上，因此建筑结构火灾是火灾损失最为惨重的场所和形式，这也说明了建筑结构防火的重要性。2005年美国消防费用在267－294亿美元，约占国民总收入（GDP）的2－2.5％，其中建筑物结构防火成本为45.9亿美元，包括建筑物构件阻燃处理、安全探测和消防设施的建设。
木材阻燃剂的种类和使用
根据历史资料，早在古代中国和埃及，人们就用醋和明矾作为木材等xx聚合物的阻燃剂。中国人用醋溶液和明矾涂抹木材然后在包覆粘土层来减少火焰传播，在3000年前的古代埃及，芦苇和草在用作房顶材料之前放在海水里浸泡一下，干燥后形成结晶的无机盐起到了阻燃剂的作用。在古罗马时代，阻燃剂由史学家Aulus Gellius进行了描述，公元86年前，Sulla围攻Piraeus时，木材事先用明矾浸泡使木材具有滞火性能。1821年，Gay-Lussac首次提出了阻燃剂的科学原理，提出了一些用磷酸铵和硼砂作为纤维素材料阻燃剂的配制方法，这些方法一直沿用至今。人们研究了用磷酸铵和硼作为阻燃剂处理纤维材料，直到今天磷、氮、硼仍然是阻燃剂的主要成分。目前全世界阻燃剂的消费市场大约是36万吨，产值11.69亿美元，其中溴化合物11.5万吨、有机磷化合物10万多吨、氧化锑6万多吨、氯化物4万多吨、其它阻燃剂3.8万吨。具调查显示表示阻燃剂在各个行业里的应用情况为塑料工业占65％；橡胶工业占25％；纤维织物占5％；油漆和胶粘剂行业占3％；木材和纸张仅占2％，这表明木材纤维、纸张阻燃处理的产品和范围少而窄，木材阻燃剂生产厂家规模较小。
根据阻燃机理，木材及人造板生产阻燃剂分为添加型、反应型和膨胀型三种。添加型在木材、人造板和胶粘剂内以物理填充形式存在，多数无机系列阻燃剂属于添加型，如氧化锑、卤素化合物、铵盐、氢氧化铝、氯化锌、硼化合物等。硼化合物是良好的木材及纤维的阻燃剂、渗透性、持久性好而且兼具阻燃和防腐作用。应用最多的是磷酸铵，高温下，磷酸起到脱水作用，能促进炭的生成和抑制可燃气体的产生，然而磷化合物阻燃剂的不足是增加了CO和CO2的释放量，所以它经常同氮、硼等化合物一起使用，使他们发挥协同效应。无机阻燃化合物一般采用浸泡处理木材和人造板，使用量为重量比的10－20％。有些无机化合物处理后会增加材料的吸水性，不仅会降低木材的强度，也会导致木材和人造板金属连接件的破坏。溴和氯等卤素化合物在塑料行业中广为使用，一般添加重量的15－30％，有研究认为它们燃烧过程中产生的气体会危害环境。
反应型阻燃剂能够与木材纤维或胶粘剂发生化学反应，形成化学交联，许多氨基类的阻燃剂属于反应型，能够克服无机阻燃剂容易吸潮的缺点。具有阻燃作用的有机化合物能够与木材纤维素发生化学反应而形成牢固的结合，因而阻燃效果持久而稳定。有些反应型阻燃剂是加入有磷酸、蚁酸、氢氧化钠的氨基树脂，它们之间能够发生化学反应，例如FRW阻燃剂就是由有机磷、氮、硼组成的复合体系阻燃剂。
近年来膨胀型阻燃剂的使用不断增加，它主要用于木材的表面及油漆处理，膨胀型阻燃剂燃烧时可以形成厚厚的泡沫层，体积能够膨胀50到200倍，起到隔绝热源保护木材表面的作用。膨胀型阻燃剂含有成炭化合物、脱水剂、发泡剂和改性剂等成分，成炭化合物如多元醇、多羟基醇、多元酚、碳水化合物和树脂，它们燃烧时能产生CO2、水蒸气和焦油，其作用是形成炭保护层；脱水剂包括磷酸、磷酸铵、聚磷酸铵、尿素、三聚氰铵和硫酸铵等；发泡剂的作用是形成泡沫层，如双氰胺、三聚氰铵、尿素和胍等；加入改性剂的目的是{zd0}程度的形成含炭物质的膜保护层。
阻燃人造板的制造
阻燃人造板的制造方法有三种：{dy}种是胶合前进行阻燃处理；第二种是胶合后进行阻燃处理；第三种是阻燃剂加入胶粘剂中直接热压制造阻燃人造板。这三种处理方法各有利弊，采用{dy}种方法，阻燃处理的单板、刨花板或者纤维板，能够提高阻燃效果，但是却阻碍胶合，降低胶合强度；第二种方法阻燃处理胶合板需要进行二次干燥，产生变形和损坏；第三种方法对阻燃剂要求较高，而且施加量有限，阻燃效果不明显。
北美开发的阻燃人造板有阻燃胶合板、阻燃细木工板、阻燃刨花板、阻燃大片刨花板、阻燃中密度纤维板和阻燃定向刨花板。人造板生产使用的脲醛树脂胶、三聚氰铵树脂胶有一定的阻燃性能，但是效果不明显，所以一般采用下面的方法进行处理：1）采用阻燃剂溶液浸渍处理单板、刨花板或者纤维板；2）在人造板生产原料中添加阻燃的无机物质；3）使用阻燃胶粘剂；4）在单板、刨花、纤维原料中使用膨胀型阻燃剂，为了提高阻燃效果，在实际生产中，上述方法可以交叉结合使用。添加的阻燃剂主要有硼酸、磷酸铵、硼酸铵、硫酸铵、氯化铵、氯化锌、硼酸锌、氧化锑等，添加量一般为绝干重量比5－10％。氢氧化铝是无机阻燃剂，具有良好的抑烟性，可以直接加入胶粘剂内不会改变pH值，不会影响胶合强度。
北美人造板产量以定向刨花板所占比重{zd0}，而定向刨花板主要用于工业建筑、商业建筑、公用建筑和家庭民居等建筑结构中，而这些场所是建筑防火的主要内容，因此开发阻燃定向刨花板对于提高建筑物安全性和扩大定向刨花板应用市场具有重要作用。目前存在的主要问题是：在制造工艺上，采用阻燃剂处理刨花会影响胶粘剂的固化时间，从而会影响在线生产工艺；另外阻燃定向刨花板的应用也受到建筑规范的约束，例如阻燃处理后的定向刨花板对金属连接件的使用寿命有一定的影响，因而在应用中受到一定的限制。
阻燃人造板阻燃性能检测及其标准
大多数研究表明经过阻燃处理的木材和人造板，其强度会下降10－25％，强度损失的程度随阻燃剂不同而不同，这是因为木材在高含水率处理、高温干燥过程中，在某些阻燃剂的作用下，木材纤维素、半纤维素发生了降解。所以美国木材保护协会(AWAP)的标准中规定在硼、磷等阻燃剂处理后的木材在含水率高于25％时，干燥温度不得超过71℃。在相关标准中还规定，经过阻燃处理的{zd0}强度与未处理木材强度的比值不能超过一定的数值，而且在使用一定时间后其强度下降的比值也不能超过一定的数值。对材料的阻燃性能评估和检测是消防安全和设计的重要内容。早期人们根据直觉、推测和经验来评估材料的阻燃性，随着科学和技术的发展，人们发明了各种仪器通过试验或者模拟试验来定量测定材料的各种阻燃参数。材料阻燃性能测试方法根据试件大小分为实验室试验、中型试验和大型试验三种，从经济上考虑一般用前两种试验。在实验室及部分中型试验中，根据被测材料的一些对引发火灾具有决定性影响的参量，一般要测定可燃性、点燃性、火焰传播、释热及二次火灾效应的生烟性、烟毒性和腐蚀性等。
火灾评估研究表明，发生火灾威胁人生命的重要因素是燃烧材料释放的烟雾和有毒气体，阻燃材料的抑烟性能比阻燃更重要，因此近年来在研究、选择、评价阻燃剂的阻燃性能时，更加关注阻燃剂和阻燃材料的抑烟性和低毒性。北美国家对于火灾研究不仅关注单个建筑材料的阻燃性，而且更加关注建筑结构整体的防火阻燃性，特别是整个建筑的滞火性，延长滞火燃烧时间，降低火灾现场烟密度，提高能见度，以便为遇险人员提供相对安全的逃生时间，所以对建筑结构的燃烧模型和火灾现场的模拟试验进行了大量的研究。
与发达国家相比，我国在阻燃木材研究和生产方面相对落后，而木质阻燃材料的应用技术规范和标准尚属空白，美国、日本等发达国家都具有众多的木材阻燃检测、性能和应用标准体系，例如美国有相关标准24个，而我国目前仅颁布实施了难燃中密度纤维板（GB/T18958-2003）、难燃胶合板（GB 18101-2000）以及阻燃木门等少量阻燃木制品的性能标准，缺乏针对木质材料阻燃性能的检测方法标准。
