饰面型防火涂料对几种木材阻火性能的影响

饰面型防火涂料对几种木材阻火性能的影响

高仲亮, 周汝良, 崔 飞, 彭杏资, 杨建明, 张剑桥
( 西南林学院保护生物学学院云南省森林灾害预警与控制重点试验室, 云南昆明650224)

木材及人造板因其富于变化的形状、色泽、条纹以及取材容易、加工方便的优点, 在建筑、家具及室内装修行业被广泛应用, 建筑装饰材料选用的木材总消耗量呈逐年上升的趋势。对木材的阻燃处理一般采用饰面型防火涂料对表面进行涂覆的方法。但是由于木质基材致密程度和导热系数不同, 虽涂覆同种饰面型防火涂料, 其阻火性能也会存在着差异。为研究同一饰面型防火涂料对不同木质基材阻火性能的影响, 笔者选用红榉、沙比利、黑胡桃、水曲柳4 种基材作为研究对象, 研究在不同涂覆量下阻火性能的变化情况。

1  饰面型防火涂料的阻燃机理
1. 1  膨胀型防火涂料的阻燃机理
膨胀型防火涂料成膜后, 常温下与普通漆膜无异, 但在火焰或高温作用下, 涂层剧烈发泡炭化, 形成一个比原涂膜厚几十倍至几百倍的难燃性泡沫炭化层, 导热系数大幅减小, 通过泡沫炭化层传递到基材的热量只有未膨胀涂层的几十分之一, 甚至几百分之一, 从而起到有效阻止外部火源的作用。另一方面, 在火焰或高温下, 涂层发生的软化、熔融、蒸发、膨胀等物理变化及聚合物、填料等组分发生的分解、降解、化合等化学变化也能吸收大量的热能, 抵消一部分外界作用与物体的热, 从而对被保护材料的受热升温过程起延滞作用。另外, 涂层在高温分解出的不燃性气体能稀释有机物热分解产生的可燃气体及氧气的浓度, 抑制燃烧进行。所以膨胀型防火涂料是一种比较有效的延燃涂料, 遇小火不燃, 离火自熄。在较大火势下能阻止火焰的蔓延, 减缓火苗的传播速度。

1. 2  非膨胀型防火涂料阻燃机理
非膨胀型防火涂料主要通过3 条途径发挥阻燃作用。一是涂层自身具有难燃性和不燃性; 二是在火焰或高温作用下防火涂料分解释放出不燃性气体( 水蒸汽、氨气、二氧化碳等) , 冲淡氧气和可燃性气体; 三是在火焰或高温条件下涂层形成不可燃的无机􀀂 釉膜层 , 该釉膜层结构致密, 能有效隔绝氧气, 并在一定时间内有一定的隔热作用。

2  饰面型防火涂料处理装饰板材阻火性能
2. 1  防火涂料合格性检测
2. 1. 1  小室法
实验装置: 参照GB/ T 15442. 4- 1995<饰面型防火涂料防火性能分级及试验方法小室燃烧法>进行, 主要测量质量损失和炭化体积。
试件的制备: 实验基材选用一级松木五层胶合板制成, 尺寸为300 mm # 150 mm # ( 5 +- 0. 2) mm; 试板表面光滑, 无节疤拼缝及其他缺陷。试件的湿涂覆比值为250 g/ m2 , 涂覆误差为+- 2%。先将防火涂料涂覆于试板四周封边, 24 h 后再将防火涂料均匀地涂覆于试板的一表面。试板在涂覆防火涂料后在温度为( 23 +- 2) % , 相对湿度为50% +- 5%的条件下调节至质量恒定。
实验结果: 将燃烧过的试件取出冷却至室温, 准确称量, 精确到0. 1 g。一组试件(5 个) 燃烧前后的平均质量损失取其小数点后一位数即为防火涂料试件的质量损失。用锯子将燃烧过的试件沿着火焰延燃的最大长度、最大宽度线锯成4 块。量出纵向、横向切口涂膜下面基材炭化( 明显变黑) 的长度、宽度, 再量出最大的炭化深度, 取其平均炭化体积的整数值即为防火涂料的炭化体积。炭化体积按式( 1) 计算。

式中: V 为炭化体积, cm3 ; ai 为炭化长度, cm; bi 为炭化宽度, cm; hi 为炭化深度, cm; n 为试件个数。
实验每一组试件的标准偏差不能大于其平均质量损失( 或平均炭化体积) 的10%。实验数据见表1、表2。根据实验所得数据, 质量损失为3. 713 g< 5 g, 炭化体积为9. 626 cm3< 25 cm3 , 该饰面型防火涂料属于一级防火涂料, 符合饰面型防火涂料标准。

2. 1. 2  隧道法
参照GB/ T 12441- 2005<!饰面型防火涂料>隧道燃烧法进行, 主要测量火焰传播比值。
试件的制备: 实验基材选用一级松木五层胶合板制成, 尺寸为600 mm # 90 mm # ( 5+- 0. 2) mm; 试板表面光滑, 无节疤拼缝及其他缺陷。试件的湿涂覆比值为250g/ m2 , 涂覆误差为+- 2%。先将防火涂料涂覆于试板四周封边, 24 h 后再将防火涂料均匀地涂覆于试板的一表面。试板在涂覆防火涂料后在温度为( 23+- 2) % , 相对湿度为50%+- 5%的条件下调节至质量恒定。

实验结果见表3。石棉标准板火焰传播比值La =0. 43 cm, 标准橡木板火焰传播比值为Lr= 5. 70 cm, 隧道炉的矫正常数为K =100/(Lr- L a)= 18. 98 cm- 1 , FSR= K( L s- L a) 。

根据实验所得数据, 平均火焰传播比值21. 18< 25,该饰面型防火涂料符合标准。
2. 2  耐燃时间的测量及木质基材背面升温曲线实验
2. 2. 1  实验样品制备
选择红榉、沙比利、黑胡桃、水曲柳4 种木质基材作为实验对象, 实验样品尺寸为12 0 mm # 120 mm # ( 3. 0+- 0. 2) mm。对每一种木质基材的阻燃处理相同, 均采用同一种饰面型防火涂料进行阻燃处理, 且每一类板材的防火涂料涂刷量都分为0、250、500、750 g/ m2 四种。防火涂料涂刷分两次进行, 两次涂刷的时间间隔不小于4h。待涂料干燥后将试样置于烘箱内, 在50 % 条件下烘烤24 h 后方可进行实验。为避免人为误差、提高实验数据的准确性, 每一组数据均经过了2~ 3 次的平行实验。

2. 2. 2  耐燃时间测定
( 1) 实验平台。耐燃时间的确定是借助水平垂直燃烧测定仪来实现的, 该实验装置主要由通风橱、燃烧箱、燃烧器以及各种支架和测量尺等组成。
( 2) 实验结果及分析。木质材料耐燃时间定义为从对0. 3 cm 厚木质材料正面施加火焰至其背面温度达到220 % 所需要的时间。该数据的得出, 采用的是水平法,即将试件水平放置, 调节本生灯, 使灯管在垂直位置时,产生20 mm 高的蓝色火焰, 本生灯调至45 % , 对试件一面中央施焰, 利用温度测定仪实时测量板材背面温度, 用秒表记录耐燃时间。实验结果见表4。

实验结果表明: 在未涂覆防火涂料时, 不同木质基材的耐燃时间是不同的, 其中红榉的耐燃时间最短, 只有52. 8 s, 水曲柳的耐燃时间最长, 为70. 3 s, 其耐燃时间是红榉的1. 3 倍多; 耐燃时间从小到大的顺序为红榉< 黑胡桃< 沙比利< 水曲柳。不同的木质基材涂覆饰面型防火涂料后的耐燃时间都有增加, 且涂覆量越大, 耐燃时间越长, 涂覆量500g/m2 时, 红榉、黑胡桃、沙比利、水曲柳的耐燃时间分别从未涂覆防火涂料时的52. 8、59. 8、69. 0 和70. 3 s 增加到91. 5、179. 5、196. 9 和205. 9 s, 耐燃时间增加了2 倍左右( 红榉除外) , 但此时各基材中依次是水曲柳的耐燃时间最长, 红榉最短, 其耐燃时间的顺序依次是: 红榉< 黑胡桃< 沙比利< 水曲柳, 和未涂覆防火涂料时相比没有变化。在其他几种涂覆量下耐燃时间的变化也是如此, 这说明: 各种基材的耐燃时间除了受饰面型防火涂料的影响之外, 主要受木材本身材质的影响, 在相同的涂覆量下, 基材本身耐燃时间长, 涂覆后耐燃时间也比较长。所以, 在几种木质基材的防火处理中, 要达到相同耐燃时间的防火标准, 基材本身耐燃时间长, 涂覆量相对较小; 基材本身耐燃时间短, 涂覆量相对较大。同种木质基材在不同的饰面型防火涂料涂覆下, 随着涂覆量增加, 其耐燃时间增加的幅度越来越大。以黑胡桃为例, 从0 到250 g/ m2 、250 到500 g/ m2 及500 到750 g/ m2 , 其耐燃时间增加值分别为42. 9、85. 0 和102. 5s, 其他实木基材结果也是如此, 但红榉的增温幅度较其他三种木材缓慢, 说明要使实验所选的四种木质基材达到相同的耐燃时间, 红榉所需防火涂料涂覆量最大。

2. 2. 3  木质基材背面温升曲线实验
( 1) 实验平台。木质基材背面升温曲线的得出, 是借助自行设计的实验装置完成, 实验装置见图1。将不同涂覆厚度的120 mm # 120 mm 尺寸的样品水平放置于水平垂直燃烧测定仪内, 采用水平法, 对试样正面中心施加火焰, 并利用热电偶对试件背面如图2 所示的A、B、C、D、E5 个点的温度进行记录, 数据将自动存入计算机。

( 2) 实验结果及分析。实验测得的各基材背面升温曲线见图3~ 图6 所示。



各木质基材无论是否涂覆防火涂料, 其背面升温都有逐渐放缓的趋势, 从开始受热至温度变化趋势转折点,背面温度呈线性增长, 之后升温速度减慢。但不同的木质基材, 其温度转折点时间各异, 在未涂覆防火涂料时,红榉、黑胡桃、沙比利和水曲柳的转折点时间分别为62、65、70 和80 s, 经防火涂料涂覆后, 其各自的转折点时间几乎不变, 但各自的转折点温度都有所下降, 且所涂覆的防火涂料量越多, 转折点温度下降越大。就黑胡桃来讲,防火涂料涂覆量分别为0、250、500 和750 g/ m2 时, 其转折点时间都在65 s 左右, 但其对应的转折点温度为114、105、95 和87 % 。各木质基材在实验进行到相同时刻时, 涂覆的防火涂料量越多, 板材背面温度越低。且随着时间的推移, 板材间的温度差距变大。

3  结 论
( 1) 未涂覆防火涂料时, 各基材的耐燃时间排序为:沙比利> 水曲柳> 黑胡桃> 红榉。说明各种木质基材的阻火性存在差异, 且这种差异和基材材质有很大关系。
( 2) 同种基材涂覆不同量饰面型防火涂料时, 随着防火涂料涂覆量的增加, 耐燃时间逐渐增长。耐燃时间的长短说明了其阻火性能的好坏, 时间越长, 表明材料不易燃。防火涂料处理木质基材, 使其耐燃时间增长, 在一定的程度上提高了木质基材的耐燃等级。
(3) 未涂覆防火涂料时, 各木质基材背面升温都有放缓趋势, 随着防火涂料涂覆量增加, 放缓趋势更加明显。
( 4) 不同木质基材使用相同量的同种防火涂料处理,阻火效果不一, 其中以红榉的效果最差。要达到相同的耐燃效果, 木质基材所需涂覆的防火涂料量不同。

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