全 文 ：doi:10. 16473 / j. cnki. xblykx1972. 2016. 01. 025
用锥形量热仪测试思茅松阻燃胶合板的阻燃性能
*
殷志伟1，2，吴志刚2，3，吴章康2，谢飞1，郁荣1，周向玉1，熊文2
〔1. 中国建筑一局 (集团)有限公司，北京，100161;2. 西南林业大学，云南 昆明 650224;
3. 北京林业大学 材料科学与技术学院，北京 100083〕
摘要:为了研究出一种阻燃性能良好的阻燃胶合板，以无机阻燃剂、聚磷酸铵阻燃剂、有机高温阻燃剂和钼酸
铵阻燃剂 4 种阻燃剂处理思茅松单板制备胶合板，采用锥形量热仪对胶合板阻燃性进行测试和评价。研究结果
表明，4 种阻燃剂处理的胶合板热释放速率峰较素板显著降低。阻燃剂首先可以延缓木材炭化，表现为第一个热
释放速率峰出现的时间较素板均有延长，其中以无机阻燃剂处理的胶合板阻燃效果最好。阻燃剂处理的胶合板
热释放速率曲线较平坦，成碳速率较素板高，燃烧耗氧量和龟裂程度较素板低。
关键词:思茅松;无机阻燃剂;聚磷酸铵阻燃剂;有机高温阻燃剂;钼酸铵阻燃剂
中图分类号:S 781. 6;TS 653. 3 文献标识码:A 文章编号:1672 － 8246 (2016)01 － 0145 － 05
Analysis of Flame Retardant Plywoods by Cone Calorimeter
YIN Zhi-wei1，2，WU Zhi-gang2，3，WU Zhang-kang2，XIE Fei1，YU Rong1，ZHOU Xiang-Yu1，Xiong Wen2
〔1. China Costruction First Builing (Group)Co. Ltd. ，Beijing 100161，P. R. China;2. Southwest Forestry University，Kunming Yunnan
650224，P. R. China;3. College of Materials Science and Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，P. R. China〕
Abstract:To produce an effective plywood with good flame retardant performance，the Pinus kesiya var. langbianensis
veneers were dealt with 4 different lab － based flame retardants． Analysis and evaluation of flame retardants of
these 4 plywood were studied by cone calorimeter． The results showed that the heat release rate peak of plywoods
impregnated by these 4 flame retardants were significantly lower than that of common plywood． The flame retardants
could delay wood carbonization，since it could extend the existing time of the first heat release rate peak of ply-
woods． The effect of plywood impregnated by inorganic flame retardant was the best，since The curve of its heat re-
lease rate was relatively flat with high rate of carbon formation，and its combustion oxygen consumption and crack-
ing degree were lower than common plywoods．
Key words:Pinus kesiya var. langbianensis ;inorganic flame retardant;ammonium polyphosphate flame retard-
ant;organic and high temperature flame retardant;ammonium molybdate flame retardant
目前世界范围内木材资源的短缺情况日益加
剧，发展人造板工业已经成为解决木材资源严重不
足的重要途径之一。胶合板是人造板中最主要的产
品之一，作为室内装饰的主要材料，其产量和需求
量在急剧增长［1］。但是，普通胶合板属于可燃性
材料，在诸多应用领域上受到限制。一旦发生火
灾，这些木质材料将为加速和扩大火灾埋下隐患，
造成的经济损失和人员伤亡将不可估量［2 ～ 3］。2009
年 1 月 31 日，福建省长乐市，因燃放烟花造成木
质材料的天花板起火，造成 15 人死亡，24 人受
伤。调查结果显示，21 %的火灾是由木材等纤维
材料引起，而住宅 70 %的火灾是由木质材料缺乏
第 45 卷 第 1 期
2016 年 2 月
西 部 林 业 科 学
Journal of West China Forestry Science
Vol. 45 No. 1
Feb. 2016
* 收稿日期:2015 － 06 － 23
基金项目:国家自然科学基金项目 (31060098，3200437)。
第一作者简介:殷志伟 (1986 －)，男，技术员，硕士，主要从事人造板燃烧及毒性分析。E-mail:156881547@ qq. com
通讯作者简介:吴章康 (1967 －)，男，教授，博士，硕士生导师，主要从事生物质复合材料研究。E-mail:zhangkangw@ yahoo. com. cn
阻燃性引起的［4 ～ 8］。所以，胶合板的阻燃处理，具
有重要的现实意义。
锥形量热仪是以量热学耗氧原理为基础，是火
灾科学中最具代表性的测试仪器，其测试结果不受
燃料类型、是否完全燃烧等的影响，与大型燃烧试
验的相关性好，可以全面的测试出材料燃烧性能的
多方面指标，包括热释放速率、质量损失速率、氧
气含量和二氧化碳含量等一系列参数，是一种很全
面的评价材料燃烧性能的测试仪器［9 ～ 11］。本研究
以 4 种不同阻燃剂处理思茅松 (Pinus kesiya
var. langbianensis)单板制备胶合板，采用锥形量
热仪对 4 种不同阻燃剂处理的思茅松胶合板的阻燃
性进行分析和评价，为制备出性能优良的思茅松胶
合板提供参考。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
(1)思茅松单板 由云南宁洱县林达木业有
限公司提供，厚度 0. 8 ～ 1. 2 mm，幅面尺寸 1. 22
m ×2. 40 m，含水率 7 % ～9 %。
(2)阻燃剂 自制，4种阻燃剂浓度均为12 %;
①无机阻燃剂 (Ⅰ):主要由 10 %磷酸氢二铵、
60 %硫酸铵、20 %硼酸和 10 %硼砂组成;②聚磷
酸铵阻燃剂 (Ⅱ):主要由聚磷酸铵组成;③有机
高温阻燃剂 (Ⅲ):主要由 70 %脒基磷酸脲和 30
%硼酸组成;④钼酸铵阻燃剂 (Ⅳ):主要是在无
机阻燃剂的基础上添加 10 %钼酸铵阻燃剂。
(3)脲醛树脂胶黏剂 黏度 30 s，pH值 9. 0，
固体含量 60 %，固化剂为 NH4Cl，市购。
1. 2 试件制备
思茅松单板的浸渍处理 将单板在常压下浸渍
在温度为 100℃阻燃剂溶液中，浸渍 1 h 后，取出
置于温度为 60 ～ 70℃的恒温可控干燥箱中，将单
板干燥至含水率为 3 %左右。
胶合板制备 热压压力 1. 5 MPa，热压时间 60
s /mm，施胶量 280 g /m2 (双面)，热压温度
110℃，同一条件下压 3 块胶合板，板材厚度为 9
mm，胶合板幅面 (长 ×宽 ×高)为 100 mm × 100
mm ×3 mm，胶合板边缘用铝箔进行封边处理。以
阻燃剂 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ制备的胶合板试样分别记
为 A、B、C 和 D;未加阻燃剂的单板，也叫素板
记为 ck。
1. 3 性能测试
采用锥形量热仪 (英国 Fire Testing Technology
Limited公司)测试思茅松阻燃胶合板的阻燃性能。
其测试方法参照 GB/T 16172-2007 / ISO 5660-1:2002
标准进行;测试条件为热辐射热通量 50 kw /m2，每
个样品 3 个平行测试，取其平均值。氧气、二氧化
碳 (一氧化碳)的含量用锥形量热仪测出。
2 结果与分析
2. 1 阻燃剂对胶合板热释放速率影响
热释放速率 (HRR)是指单位时间内材料燃
烧时所释放的热量，是材料燃烧时最重要的参数之
一，反映了材料在燃烧时释放热量的快慢。通常情
况下，热释放速率均值 (av-HRR)和热释放速率
最大值 (pk-HRR)被用于评价材料的燃烧性
能［12］。木质材料的燃烧可分为 4 个阶段: (1)水
的蒸发或干燥阶段; (2)预炭化阶段; (3)炭化
阶段; (4)炭化产物燃烧阶段。大量研究表明，
一般木质材料在燃烧过程中均会出现 2 个峰值。第
1 个高峰是木材炭化阶段，这个阶段可燃物热分解
反应十分剧烈，并产生大量的可燃气体，可燃气体
火焰燃烧使热释放速率达到最大值。当炭化阶段达
到极值时，炭化层内部的应力随炭化层加深而加
大。内部的应力达到极限时炭化层产生龟裂现象，
此时板材内部的可燃气体挥发到板材表面，热释放
速率达到第 2 个高峰期，此时是处于炭化燃烧阶
段［13］。4 种阻燃剂对思茅松胶合板热释放速率的
影响结果见表 1 和图 1。
表 1 阻燃剂对胶合板热释放速率的影响
Tab. 1 Effect of flame retardant on heat release
rate of plywood
样品
热释放速率 /kw·m －2
平均热释放速率 最大热释放速率
A 5. 22 9. 67
B 6. 57 14. 62
C 8. 55 19. 64
D 8. 01 19. 64
CK 9. 64 20. 02
641 西 部 林 业 科 学 2016 年
(a)阻燃剂Ⅰ浸渍的胶合板
(b)阻燃剂Ⅱ浸渍的胶合板
(c)阻燃剂Ⅲ浸渍的胶合板
(d)阻燃剂Ⅳ浸渍的胶合板
(e)素板
图 1 胶合板浸渍 1 h的热释放速率
Fig. 1 The heat release rate of plywood immersed for 1 h
由表 1 和图 1 明显看出，阻燃处理的 4 种思茅
松胶合板 2 个放热峰显著降低。素板第一个峰值达
到 20 kw /m2，而无机阻燃剂胶合板为 10 kw /m2，
高温阻燃剂胶合板为 18 kw /m2，聚磷酸铵胶合板
为 14 kw /m2，钼酸铵胶合板为 13 kw /m2，素板的
第 1 个热释放速率峰值均高于加入阻燃剂的胶合
板。这是因为阻燃剂抑制了板材内部燃烧时小分子
挥发物的挥发。加入阻燃剂的胶合板第 1 个热释放
速率峰出现的时间均有延长，说明阻燃剂首先可以
延缓木材炭化，其中以有机高温阻燃剂 (Ⅲ)效
果最好，其次分别是无机阻燃剂 (Ⅰ)、钼酸铵胶
阻燃剂 (Ⅳ)、聚磷酸铵阻燃剂 (Ⅱ)。第 2 个热
释放速率峰值出现的时间 A ＜ D ＜ B ＜ C ＜ 0。两个
放热峰出现的间隔时间最短的是 A，说明在第 1 个
峰值和第 2 个峰值之间的一段时间内无机阻燃剂
(Ⅰ)处理的胶合板燃烧剧烈，其原因可能是胶合
板炭化后发生龟裂，使得内部的可燃气体扩散出
来，从而加速了胶合板的燃烧。素板和聚磷酸铵阻
燃剂 (Ⅱ)处理的胶合板两个放热峰出现的间隔
时间最长，延缓了胶合板龟裂现象的产生。
加入 4 种阻燃剂的胶合板在燃烧过程中，热释
放速率曲线较素材的平缓，产生这种现象的原因是
阻燃胶合板燃烧产生的可燃气体趋于缓慢，使得热
解过程被抑制，从而导致热量释放的时间变得均
匀。热释放速率的覆盖面积可以表征热释放总量，
阻燃胶合板的 HRR 曲线覆盖面积比素材有不同程
度的减少，说明经阻燃处理后的胶合板的总热释放
量要小于素材。由表 1 可以看出，阻燃胶合板的
av-HRR值和 pk-HRR值均小于未阻燃处理胶合板，
说明阻燃剂能有效的抑制胶合板热量的产生，从而
表明阻燃剂对胶合板的阻燃是有效果的，胶合板添
加的阻燃剂不一样，其阻燃效果上也存在差异。
2. 2 阻燃剂对气体含量的影响
氧气浓度曲线同样具有 2 个峰值，氧气浓度曲
线和热释放曲线是相对应的关系。胶合板燃烧的过
程也是氧气消耗的过程。胶合板燃烧前期主要进行
有焰燃烧，需要氧气的参与，会消耗大量的外界氧
气并伴随着胶合板的炭化，燃烧过程中会产生可燃
气体。随着可燃气体的增多会扩散到胶合板周围空
气中，使空气中氧气浓度值降低，在这个阶段胶合
板发生无氧燃烧，产生一氧化碳等有毒气体［14］。
胶合板碳化进行到一定程度会产生龟裂现象，胶合
板内部的空气和可燃气体会扩散出来，这一阶段氧
气浓度值会回升，消耗的氧气浓度与内部散发的氧
气浓度会形成一个平衡状态，随着反应越来越剧
烈，氧气继续减少，并再次出现无氧燃烧的状态。
反应后期胶合板主要进行的无氧燃烧，氧气含量趋
于稳定。氧气含量越低表明燃烧越剧烈，热释放的
速率也越高。4 种阻燃剂对气体含量的影响结果见
表 2 和图 2。
741第 1 期 殷志伟等:用锥形量热仪测试思茅松阻燃胶合板的阻燃性能
表 2 4 种阻燃剂对气体含量的影响
Tab. 2 Effect of flame retardant on gas content
样品
氧气含量
/%
二氧化碳浓度
/mg·m －3
一氧化碳浓度
/mg·m －3
A 20. 465 1. 077 1. 242
B 20. 380 1. 202 1. 097
C 20. 375 1. 111 1. 121
D 20. 441 1. 064 1. 267
CK 20. 312 1. 231 0. 999
(a)阻燃剂Ⅰ浸渍的胶合板
(b)阻燃剂Ⅱ浸渍的胶合板
(c)阻燃剂Ⅲ浸渍的胶合板
(d)阻燃剂Ⅳ浸渍的胶合板
(e)素板
图 2 氧气含量
Fig. 2 The oxygen content of samples
由表 2 可知，素板的二氧化碳浓度是 1. 231
mg /m3，分别经过阻燃剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ处理后的
胶合板二氧化碳浓度分别增加到了 1. 077 mg /m3，
1. 111 mg /m3，1. 202 mg /m3和 1. 064 mg /m3。阻燃
剂处理后的胶合板，二氧化碳浓度显著减小。二氧
化碳浓度表示消耗单位质量的样品产生的二氧化碳
的质量。阻燃处理的胶合板燃烧后二氧化碳浓度，
远低于未处理的胶合板。说明阻燃剂可以减少胶合
板完全燃烧产生的二氧化碳的量，同时增加了一氧
化碳浓度。胶合板在第 2 阶段氧气的消耗量较大，
而添加阻燃剂的胶合板氧气浓度变化量很小。说明
在第 2 个阶段未被阻燃剂处理的胶合板反应强烈，
消耗的氧气的量大于添加阻燃剂的板材。由此可以
推断，添加阻燃剂的胶合板多在无氧条件下进行的
不完全反应，其产生的一氧化碳的量应较高。
由图 2可知，素板在第 1 个峰值时的氧气含量
为 20. 45 %，无机阻燃处理 UF 胶合板为 20. 52 %，
钼酸铵阻燃剂处理胶合板为 20. 51 %，聚磷酸铵阻
燃剂处理的胶合板为 20. 70 %。在第 1 个燃烧阶
段，经过阻燃剂处理后的胶合板氧气浓度几乎均大
于素板，即阻燃剂能抑制胶合板燃烧，并且有机阻
燃剂的效果更明显。素板出现第 2 个峰值的时间比
阻燃处理过的胶合板时间都长。这一阶段主要进行
的是胶合板的炭化阶段。由此可知阻燃剂有加速炭
化的作用。
2. 3 阻燃剂对胶合板质量损失率的影响
相对质量是表示随着时间的变化燃烧剩余的质
量与原质量的比值，相对质量的变化很大程度上反
映了试样的燃烧情况，材料燃烧时的质量损失越大
说明材料越易燃烧，火焰蔓延越快。此参数与一氧
化碳的生成速率、热释放速率、比消光面积等参数
都密切相关。相对质量的斜率越大，这些参数都随
之增大。当相对质量曲线明显降低时标志着有焰燃
烧的结束，此时试样完全炭化，残余物质的质量分
数即为成炭率。4 种阻燃剂对胶合板质量损失率的
影响结果见表 3。
表 3 4 种阻燃胶合板的质量损失率
Tab. 3 Effect of flame retardant on mass loss rate
样品 质量损失速率 /g·s － 1
A 0. 023
B 0. 024
C 0. 018
D 0. 035
CK 0. 109
841 西 部 林 业 科 学 2016 年
由上述分析结果和表 3 可知，经过阻燃剂处理
过的胶合板比素材的成炭率要高，因此阻燃剂对板
材有促进成炭的作用。在红热燃烧和有焰燃烧阶
段，经过阻燃处理的胶合板燃烧后的质量都要高于
未处理板材，而燃烧后的产物主要是炭，这说明阻
燃处理的胶合板的成炭率要高于未处理板材，可以
将成炭率作为木材阻燃的一个重要依据［15］。
胶合板在燃烧的时候出现龟裂现象会导致板内
的可燃气体扩散出去，使板材越容易燃烧。通过胶
合板燃烧后表面形态的对比发现，阻燃处理后的胶
合板相对于素板来说没有龟裂等明显变形，说明阻
燃剂可以抑制板材龟裂现象的产生，从而抑制胶合
板的燃烧。
3 结论
本研究以 4 种不同阻燃剂处理思茅松单板制备
胶合板，采用锥形量热仪法对 4 种不同阻燃剂处理
的胶合板的燃烧性能进行测试，通过热释放速率、
气体含量变化和质量损失率综合分析和评价胶合板
的阻燃效果。
(1)4 种阻燃剂处理的胶合板热释放速率峰较
素板显著降低。与素材相比，加入阻燃剂的胶合板
第 1 个热释放速率峰出现的时间均有延长，说明阻
燃剂首先可以延缓木材炭化，其中以有机高温阻燃
剂 (Ⅲ)效果最好，其次分别是无机阻燃剂
(Ⅰ)、钼酸铵胶阻燃剂 (Ⅳ)、聚磷酸铵阻燃剂
(Ⅱ)。
(2)阻燃处理后的胶合板热释放速率曲线较
平缓，是因为阻燃胶合板燃烧产生的可燃气体含量
趋于缓慢，使得热解过程被抑制。阻燃胶合板的热
释放总量同样低于素板。无机阻燃剂处理的胶合板
具有更好的抑热作用。
(3)阻燃剂处理的胶合板耗氧量小于素板，
说明反应中阻燃胶合板多发生不完全燃烧，产生的
一氧化碳较高，毒性强，胶合板耗氧量和二氧化碳
的产量均小于未做处理的素板。
(4)阻燃剂处理的胶合板成炭率高于素板。
在胶合板燃烧龟裂方面，阻燃处理的胶合板龟裂程
度小于素板，无机阻燃剂处理的胶合板龟裂程度均
小于其他阻燃剂处理的胶合板。
参考文献:
［1］龚迎春，殷志伟，李晓平，等． 不同阻燃剂对胶合板
胶合强度和燃烧性能影响［J］．林业科技开发，2014，28(2):
99 － 101．
［2］钱小瑜．世界人造板工业发展现状与趋势［J］．中国
人造板，2011(9):1 － 7．
［3］王清文，张志军，陈琳，等． 氧浓度对阻燃木材发烟
性能的影响［J］．林业科学，2006，42(12):95 － 100．
［4］高明，孙彩云． 阻燃木材热降解及阻燃机理的研究
［J］．华北科技学院学报，2003，5(2):15 － 1．
［5］杨立中，邓志华，陈晓军．可燃材料火灾性能参数的
实验研究［J］．火灾科学，2000，9(4):32 － 37．
［6］侯伦灯，刘景宏，杨远才，等． 马尾松胶合板阻燃技
术的研究［J］．木材工业，2000，14(2):6 － 8．
［7］杨巧红，吴赤蓬，王声勇．我国火灾情况的有序样品
聚类分析［J］．中国公共卫生，2005，21(5):574 － 575．
［8］李晓平，吴章康，王珺．思茅松阻燃胶合板的制备和
性能研究［J］．浙江农业大学学报，2013，30(5):724 － 728．
［9］刘芳，孔令，罗远芳，等． 用锥形量热仪研究膨胀性
非卤阻燃聚丙烯阻燃性［J］． 华南理工大学学报，2009，37
(3):10 － 14．
［10］杨均，张和平，张军，等．用锥形量热仪研究胶合板
的燃烧特性［J］．燃烧科学与技术，2006，12(2):159 － 163．
［11］徐晓楠，张健，徐文毅． 膨胀阻燃聚丙烯(PP)的燃
烧、裂解及热化学性能研究［J］．消防科学与技术，2005(2):
73 － 75．
［12］王奉强，王清文． CONE 法研究木材阻燃剂的阻燃
性能［J］．灭火剂与阻燃材料，2010，29(11):990 － 992．
［13］陈长坤，汪箭，廖光煊，等．受限空间火灾环境固体
可燃物热释放速率模拟研究［J］． 燃烧科学与技术，2002，8
(2):122 － 125．
［14］王奉强，宋永明．利用 CONE 研究阻燃胶合板的动
态燃烧行为［J］．建筑材料学报，2012，15(3):366 － 381．
［15］李国薪，何廷树，黄汝杰． 膨胀阻燃体系的研究进
展［J］．涂料工业，2009，39(9):4 － 9．
941第 1 期 殷志伟等:用锥形量热仪测试思茅松阻燃胶合板的阻燃性能