饰面防火涂料不同木质基材防火性能比较

　　摘要：利用锥形量热仪和水平垂直燃烧测定仪，按照ISO5660标准，对用ZPC60-1饰面型防火涂料处理过的白桦、杨木、柳安、檀木、沙比例的耐燃时间、点燃时间、热释放速率进行了测量。通过上述参数的比较，对同种饰面型防火涂料处理过的木质基材的防火性能进行了对比研究。另外，通过计算，得出了这几种木质基材的涂覆量和耐燃时间的线性关系式，依此式可以计算出相同耐燃时间下各基材的防火涂料涂覆量及其大小顺序，即白桦>杨木>柳安>檀木>沙比例，这可为其今后的防火处理 理论依据。

　　关键词：木质基材；饰面型防火涂料；热释放速率；耐燃时间；点燃时间

　　0.引言

　　近年来，随着人民生活的逐步改善，建筑装修用的木材总消耗量比例呈逐年上升的趋势。木材的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，未经处理的木材及其制品是可燃性材料，具有较高的火灾危险性。因此，对木材进行阻燃处理势在必行，目前常用浸渍、涂覆、添加阻燃剂等方法对木材及其制品进行阻燃处理[1]。本文采用饰面型防火涂料对胶合板表面进行涂覆的方法，对木材进行阻燃处理。但是由于不同的木质基材致密程度和导热系数不同，故虽涂覆同种饰面型防火涂料，其防火性能也会存在着差异。为了研究同一饰面型防火涂料对不同木质基材防火性能的影响，选用杨木、檀木、白桦、柳安和沙比例五种基材作为研究对象。采用FTT-Dualcone型锥形量热仪和CZF-3水平垂直燃烧测定仪对样品进行实验，通过热释放速率、点燃时间、耐燃时间等燃烧性能参数，来比较其防火性能，为今后这几种木质基材的防火处理 一些参考。

　　1.实验部分

　　1.1实验仪器

　　FTT-Dualcone锥形量热仪：英国产；CZF-3型水平垂直燃烧测定仪：南京上元分析仪器厂。

　　1.2实验原料

　　ZPC60-1型饰面防火涂料：市售；柳安、沙比例、杨木、檀木、白桦：均为市售。柳安：是缅甸、印度、印度尼西亚、菲律宾等国所产木材的一种类型，为龙脑香科的常绿大乔木；沙比例：是“筒状非洲楝”的英文名称，大部分沙比例是用来做装修和家具材料的；杨木、檀木、白桦也都是常见的装饰用木材。

　　1.3样品的制备

　　(1)空白的杨木、柳安木、檀木、沙比例、白桦试样，按照100mm×100mm×2mm尺寸，各裁制3块；

　　(2)用ZPC60-1饰面型防火涂料分别按照250g/m2、500g/m2、750g/m2、1000g/m2的涂覆量，对100mm×100mm×2mm尺寸的杨木、柳安木、檀木、沙比例、白桦单面涂覆，各3块；

　　(3)空白的杨木、柳安木、檀木、沙比例、白桦试样按照120mm×120mm×2mm尺寸，各裁制3块；

　　(4)用ZPC60-1饰面型防火涂料分别按照250g/m2、500g/m2、750g/m2、1000g/m2的涂覆量，对120mm×120mm×2mm尺寸的杨木、柳安木、檀木、沙比例、白桦进行单面涂覆，各3块。

　　1.4实验方法

　　1.4.1锥形量热仪法

　　按照ISO5660标准进行实验，将不同涂覆厚度的100mm×100mm尺寸的样品水平放置在锥形量热仪的试样台上，涂覆涂料的一面朝上，用不锈钢丝网保护，以避免样品的翘曲和膨胀。在25kW/m2(约625℃)热辐照功率下对样品进行实验，每个样品进行2～3次平行实验。

　　1.4.2水平垂直法

　　将不同涂覆厚度的120mm×120mm尺寸的样品水平放置，采用水平法，调节本生灯，使灯管在垂直位置时，产生20mm高的蓝色火焰，然后用秒表记时，测各个试样的耐燃时间。

　　2.结果和讨论

　　2.1点燃时间(TTI)

　　点燃时间(TimeToIgnition，简称TTI)是评价材料耐燃性能的一个重要参数(单位：s)，它是在预置的入射热流强度下，从材料表面受热到表面持续出现燃烧时所用的时间[2]。TTI可用来评估和比较材料的耐燃性能。TTI越长，耐燃性能越好，火灾危险性越小。

　　表1是各基材在不同涂覆量下的点燃时间。

　　表1 各基材在不同涂覆量下的点燃时间

　　未涂覆防火涂料时，各种木质基材的点燃时间不同，白桦最易点燃，时间是22s，沙比例和檀木相对较为难燃，时间分别是38s和39s，杨木和柳安的点燃时间比较接近，时间分别为26s和27s。这些数据都是由木质基材本身的性质决定的，其点燃时间大小顺序依次是白桦<杨木<柳安<檀木<沙比例。

　　涂覆防火涂料后的基材，其点燃时间明显变长，以涂覆量500g/m2为例，对于100mm×100mm的木块而言，只需涂覆5g的防火涂料，相当于几粒 片的质量，白桦的点燃时间从原来的22s增加到47s，杨木的点燃时间增加了24s，其他3木质基材的点燃时间也都增加了一倍左右，由此可见，饰面型防火涂料对木质基材点燃时间的影响是十分明显的。涂覆防火涂料之后，虽然各种木质基材的点燃时间都有不同幅度的增加，但它们之间点燃时间大小也是具有一定规律的，从表中可以明显看出，其大小顺序和未涂覆防火涂料时的顺序一致，仍然是白桦<杨木<柳安<檀木<沙比例。在相同的辐射条件下引燃材料所需的点燃时间越长，说明材料被加热时由固相转变为气相需要的辐射热能量越强，材料的热稳定性越好，材料在受热时越不易分解出挥发组分，因此越不易点燃；若为阻燃材料，引燃时间越长则说明其阻燃性能越好，材料的点燃时间越短则材料受热越易分解出易挥发气体或固体组分，越易点燃，在真实火灾中火灾危险性越大[3]。表中沙比例火灾危险性较小，白桦和杨木的火灾危险性相对较大，因此，在实际的防火处理过程中，白桦和杨木的防火涂料涂覆量要相对较大，而檀木和沙比例的涂覆量要相对较小，如此才能使几种基材达到相同点燃时间的防火标准。

　　2.2耐燃时间

　　耐燃时间是衡量材料防火性能的重要标准之一，表2是不同木质基材在不同涂覆量下的耐燃时间值。

　　表2 各基材在不同涂覆量下的耐燃时间

　　在未涂覆防火涂料时，不同木质基材的耐燃时间是不同的，其中白桦的耐燃时间最短，只有23.98s；沙比例耐燃时间最长，为41.06s，其耐燃时间约是白桦的2倍；耐燃时间从小到大的顺序依次是白桦<杨木<柳安<檀木<沙比例。不同的木质基材涂覆饰面型防火涂料后的耐燃时间都有所增加，且涂覆量越大，耐燃时间越长，就常用的涂覆量500g/m2来讲，白桦、杨木、柳安、檀木、沙比例的耐燃时间分别从未涂覆防火涂料时的23.98s、28.95s、30.45s、33.5s和41.06s增加到40.68s、42.51s、50.64s、52.08s和55.4s，耐燃时间都增加了2/3左右，但此时各基材中依然是沙比例的耐燃时间最长，白桦的最短，其耐燃时间的大小顺序依然是：白桦<杨木<柳安<檀木<沙比例，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，这充分说明：各基材的耐燃时间除了受饰面型防火涂料涂覆量的影响之外，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，在这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。针对实验中的几种基材来说，白桦和杨木的防火涂料涂覆量要相对较大，而檀木、柳安和沙比例的涂覆量要相对较小。利用以上数据用线性回归的方法可以推算出耐燃时间和涂覆量之间的关系，具体如下：白桦：y=0.0345x+23.748R=0.9975；杨木：y=0.029x+29.526R=0.9889；柳安：y=0.0398+33.15R=0.9807；檀木：y=0.0372x+32.082R=0.9894；沙比例：y=0.035x+391584R=0.9913。其中，y是耐燃时间，单位是s；x是涂覆量，单位是g/m2；R是相关系数，R越接近1，则公式精确度越高。依照以上关系可以推算出相同耐燃时间下不同木质基材的饰面型防火涂料的涂覆量。例如当耐燃时间是55.4s时，沙比例的涂覆量是500g/m2，檀木的涂覆量是559g/m2，柳安的涂覆量是626.8g/m2，杨木的涂覆量是89212g/m2，白桦的涂覆量是917.4g/m2，其大小顺序依次是沙比例<檀木<柳安<杨木<白桦。

　　2.3热释放速率(HRR)

　　热释放速率(HeatReleaseRate，简称HRR)是指在预置的入射热流强度下，材料被点燃后，单位面积的热量释放速率[3]。HRR是表征火灾强度的最重要性能参数，单位为kW/m2；HRR的最大值为热释放速率峰值(PeakofHRR，简称PKHRR)，PKHRR的大小表征了材料燃烧时的最大热释放程度。HRR和PKHRR越大，材料的燃烧放热量越大，形成的火灾危害性就越大。图1是白桦、杨木、柳安、檀木、沙比例等几种基材在未涂覆饰面型防火涂料时热释放速率随时间的变化关系曲线。

　　图1 各基材热释放速率曲线

　　从图1可以看出，在未涂覆饰面型防火涂料时，各种木质基材的热释放速率曲线是不相同的，白桦的热释放速率最大，其最大峰值达到了110kW/m2左右，杨木其次，沙比例最小，杨木和柳安的热释放速率曲线和峰值都极为接近。沙比例的热释放速率曲线是从70s左右开始增大，白桦则比较滞后，从110s前后开始逐渐增大，其他3种材料的热释放速率从80s左右开始逐渐增大。

　　热释放速率和热释放速率峰值越大，则材料在燃烧时放热速率越快，放热量越多，形成的火灾危害性就越大。依此而言，这几种基材中沙比例的火灾危险性最小，白桦火灾危险性最大。因此，要达到同样的耐燃效果，这几种基材的涂覆量应满足沙比例<檀木<柳安<杨木<白桦。

　　3.结语

　　(1)未涂覆防火涂料时，各基材的耐燃时间和点燃时间具有相同的规律，即白桦<杨木<檀木<柳安<沙比例。这充分说明各种木质基材本身的防火性能是存在差异的，并且这种差异和基材本身材质有很大的关系。

　　(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，耐燃时间和点燃时间逐渐增长。点燃时间和耐燃时间的长短充分说明了其防火性能的好坏，时间越长，表明材料不易燃。防火涂料处理木质基材，使其点燃时间和耐燃时间都增长，在一定程度上提高了木质基材的耐燃等级。

　　(3)对于不同的木质基材涂覆同量的饰面型防火涂料时，各基材之间的耐燃时间和点燃时间大小也遵循一定的规律，即白桦<杨木<檀木<柳安<沙比例。这和未涂覆防火涂料时所得到的耐燃时间和点燃时间顺序是一致的，这再一次证明：木质基材的防火性能主要受基材本身材质影响。

　　(4)以水平垂直燃烧测定仪所得耐燃时间为依据，利用线性回归得出耐燃时间和防火涂料涂覆量之间的关系式，依照关系式可以推算出相同耐燃时间下不同木质基材的饰面型防火涂料的涂覆量及大小顺序，即白桦>杨木>柳安>檀木>沙比例。

　　(5)从热释放速率峰值来看，白桦>杨木>柳安>檀木>沙比例。HRR和PKHRR值越大，材料在燃烧时放热速率越快，放热量越多，形成的火灾危害性就越大。

　　综上所述，用相同量的饰面型防火涂料处理之后，以沙比例防火性能最好，白桦防火性能最差，其具体顺序依次是白桦<杨木<柳安<檀木<沙比例；要达到同样的的耐燃效果，这几种基材的涂覆量应满足沙比例<檀木<柳安<杨木<白桦。