周炘杰，張彩娟，楊昌浩，何銘宇，于麗麗

（天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

竹材是一種常用包裝材料，具有生長周期短、力學(xué)性能好、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，在造紙、包裝、建筑、家具、交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。竹材的品種越來越多，生產(chǎn)技術(shù)越來越成熟，如竹質(zhì)層壓板、刨花板、膠合板、竹塑復(fù)合材料等已開始逐步取代傳統(tǒng)木質(zhì)材料占據(jù)的市場份額[2-3]。然而，竹材易燃。有研究表明，竹材一旦被點(diǎn)燃，火焰在5~10 min內(nèi)便會(huì)充斥整個(gè)房間，導(dǎo)致火災(zāi)和安全事故[4]，嚴(yán)重影響其適用性。因此，竹材在使用前需要進(jìn)行必要的阻燃改性處理，以確保其使用的安全性。

傳統(tǒng)竹材阻燃處理方法有加壓浸注、常壓浸注、真空浸注等，雖然可以在一定程度上提高竹材的阻燃性，但是由于竹材本身密度較大，滲透性較差，在處理過程中存在著阻燃改性均勻性較差、阻燃劑處理難度大等問題。而利用阻燃涂料對竹材進(jìn)行表面涂覆處理，借助涂層的物理和化學(xué)阻燃作用，不僅可以有效解決阻燃劑處理竹材存在的問題，而且由于涂覆工藝成熟，更有利于工業(yè)化推廣。其中，水性聚氨酯（WPU）涂料是一種環(huán)保性較好的涂料品種[5-7]，它以水替代傳統(tǒng)溶劑，具有優(yōu)良的乳液性能和膜伸長率高、初黏力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于木器涂料、建筑等領(lǐng)域[8-11]。但是，水性聚氨酯干燥成膜后的氧指數(shù)偏低[12-13]，具有較大的火災(zāi)隱患性。硼系阻燃劑低煙、低毒、資源豐富，且與其他阻燃劑復(fù)配效果好，逐漸受到研究人員的關(guān)注[14]。YU等[15]的研究表明，與未處理竹材相比，含有硼酸或硼砂的阻燃劑均可以有效降低竹材的熱釋放及煙釋放。當(dāng)硼酸與硼砂的比例為1∶1時(shí)，可獲得良好的協(xié)同效應(yīng)。含磷類化合物一般在氣相和凝聚相發(fā)揮作用，受熱分解后形成磷酸和多磷酸，脫水碳化在物質(zhì)表面形成難燃碳層，從而隔絕溫度，阻止熱量傳遞[16-18]。劉姝君等[19]在竹基纖維復(fù)合材料中加入聚磷酸銨（APP）阻燃劑，發(fā)現(xiàn)相對于未處理材料，加入阻燃劑可以使引燃時(shí)間延長，熱釋放速率、熱釋放總量、發(fā)煙總量均大幅度降低。而且，經(jīng)阻燃改性處理后竹材的力學(xué)性能有較大優(yōu)勢，不僅竹材本身環(huán)?？苫厥?，而且竹板材的纖維密度大，有更好的抗壓能力[20]。

本文考察了阻燃涂料對竹材進(jìn)行涂覆的工藝，通過固含量優(yōu)化、涂覆量優(yōu)化和三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)對涂料進(jìn)行綜合評估，篩選出對竹材力學(xué)性能影響最小的阻燃涂料，以期為竹材的紙張包裝應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

選用產(chǎn)地為江西省贛州市的竹集成材成品，為竹材條經(jīng)熱壓后制成的長2000 mm、寬140 mm、厚20 mm的板材，含水率為4%～6%。

SETAQUA6515水性涂料，購自湛新樹脂(上海)有限公司，為市售水性竹器涂料，外觀主要為乳白色液體，成膜后無顏色，成膜物質(zhì)主要為聚氨酯，固含量為50%。

硼酸（分子量為61.83）、硼砂（分子量為381.37），分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；消泡劑，工業(yè)級(jí)，天津市大茂化學(xué)試劑廠；四水八硼酸二鈉（分子量為412.52），分析純，天津索羅門生物科技有限公司；聚磷酸銨（分子量為149.087），天津索羅門生物科技有限公司；滲透劑（AEO-9），廣州克萊雅化工有限公司。

1.2 涂覆工藝

在涂刷涂料之前，首先用200目砂紙打磨竹集成材測試件表面，沿竹材紋路打磨掉多余竹絲，用毛刷掃去竹材表面多余竹屑，備用。手工將制得的涂料用毛刷均勻涂刷在測試件表面，每次涂刷一定量的涂料，然后在自然條件下晾干，必須等上一次涂刷完全干燥之后再涂刷下一次，直至完成測試件涂刷。

1.3 WPU固含量優(yōu)化

將水性聚氨酯涂料用磁力攪拌器分別配置成WPU固含量為10%、20%、30%的涂料，然后均勻涂刷在100 mm×100 mm的竹集成材測試件表面，每個(gè)測試件涂刷5次，每次2 g，最終涂刷完成后，在自然條件下干燥3 d備用。

涂層附著力測試參考GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》，在測試件平面上隨機(jī)選取3個(gè)位置進(jìn)行劃格，取測試結(jié)果相對較好的前兩個(gè)等級(jí)（附著力等級(jí)評價(jià)0~5級(jí)）。測試裝置參見圖1，每種固含量的水性聚氨酯涂料重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)。根據(jù)附著力實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果確定水性聚氨酯固含量。

圖1 附著力測試裝置

1.4 涂覆量優(yōu)化

根據(jù)1.3節(jié)的結(jié)果，分別按涂覆量為8、6、4 g，將水性聚氨酯涂料均勻涂刷在100 mm×100 mm竹集成材測試件表面，每次2 g，最終涂刷完成后，在自然條件下干燥3 d備用。

參考GB 23999—2009《室內(nèi)裝飾裝修用水性涂料》，采用家具表面漆膜耐磨測試儀(TST-C1020型，泰仕特儀器(中國)有限公司)檢測測試件。首先在竹集成材測試件中心打孔，然后在750 g的重力下，以500 r為測試轉(zhuǎn)數(shù)、60 r/min為測試轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試。每種涂覆量的測試件重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，記錄測試件磨前和磨后的質(zhì)量，并計(jì)算出平均質(zhì)量損失。耐磨性測試裝置參見圖2。根據(jù)耐磨性和附著力的測試結(jié)果確定水性聚氨酯涂料的固含量。

圖2 耐磨性測試裝置

1.5 改性水性涂料制備工藝

通過預(yù)實(shí)驗(yàn)復(fù)配出4種阻燃劑，最佳添加比例如表1所示。

表1 阻燃劑最佳復(fù)配比例

首先將購買的市售水性聚氨酯涂料配成20%的固含量，將制備好的乳液與表1中4種復(fù)配阻燃劑中的一種按1∶1的比例混合，攪拌1 h，再加入滲透劑AEO-9，攪拌1 h，攪拌完成后，若泡沫較多或比較黏稠，則添加1滴消泡劑，制備完成后備用。

5種涂料的編號(hào)及成分如表2所示，將制備好的涂料靜置24 h，發(fā)現(xiàn)有少量黃色或白色沉淀，所以優(yōu)化制備工藝，加入阻燃劑后攪拌的時(shí)間增加2 h，增大攪拌速度。

表2 涂料列表

1.6 三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)

根據(jù)1.4節(jié)的涂覆量優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算單位面積的涂覆量，從而確定三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)所用竹集成材測試件的涂料用量。

參考GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》，用萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)對110 mm×50 mm×5 mm的竹材測試件進(jìn)行測試，兩支座之間的距離為80 mm，每組重復(fù)3個(gè)測試件。實(shí)驗(yàn)開始前記錄測試件實(shí)際長度、厚度、寬度，結(jié)束后記錄實(shí)驗(yàn)最大載荷和最大變形量。并根據(jù)式（1）計(jì)算靜曲強(qiáng)度，根據(jù)式（2）計(jì)算彈性模量。

式中：σb為測試件的靜曲強(qiáng)度，MPa；Fmax為測試件破壞時(shí)的最大載荷，N；l1為兩支座之間的距離，mm；b為測試件寬度，mm；t為測試件厚度，mm。

式中：Eb為測試件的彈性模量，MPa；l1為兩支座間的距離，mm；b為測試件寬度，mm；t為測試件厚度，mm；F2-F1為在載荷-撓度曲線中直線段內(nèi)載荷的增加量（F1值約為最大載荷的10%，F(xiàn)2值約為最大載荷的40%），N；a2－a1為測試件板材中部變形的增加量，即在測試區(qū)間測試件的變形量，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 WPU固含量優(yōu)化

表3為不同WPU固含量涂料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表3可知：對于不同WPU固含量的涂料，附著力均為1級(jí)，漆膜基本無脫落，區(qū)別不明顯。因此，進(jìn)一步考察了耐磨性實(shí)驗(yàn)結(jié)果和涂料的涂刷適用性。耐磨性測試中的涂層質(zhì)量損失均很小，三種WPU固含量的涂層質(zhì)量損失差別不大，其中30%WPU固含量涂料的質(zhì)量損失最小，僅為0.003 1 g。不同WPU固含量涂料的乳液狀態(tài)稍有不同，其中10%WPU固含量涂料的流動(dòng)性極好，不易涂刷，20%和30%WPU固含量涂料均符合標(biāo)準(zhǔn)且較易涂刷，考慮成本因素，在保證涂層理化性能的前提下，選擇20%WPU固含量用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

表3 不同WPU固含量涂料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 涂覆量優(yōu)化

對于WPU固含量為20%的涂料，不同涂覆量時(shí)的涂層附著力和耐磨性數(shù)據(jù)見表4。由表4可知：對于不同的涂覆量，涂層附著力均為1級(jí)，漆膜基本無脫落。對于不同涂覆量，耐磨測試中的涂層質(zhì)量損失均很小，且差別不大，涂覆量為4 g和6 g時(shí)的涂層質(zhì)量損失約為0.003 0 g，涂覆量為8 g時(shí)的涂層質(zhì)量損失最小，約為0.002 4 g。其中，涂覆量為4 g時(shí)的竹材表面露白，涂層被磨穿。所以，在保證涂層性能的前提下，選擇成本較低的6 g/0.01 m2作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的單位面積涂覆量。

表4 不同涂覆量時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)

按照優(yōu)化后的單位面積涂覆量（6 g/0.01 m2），將5種涂料分別涂刷在110 mm×50 mm×5 mm的竹集成材測試件上。涂刷面積為0.012 6m2，水性聚氨酯和阻燃劑比例為1∶1。計(jì)算得到水性聚氨酯涂料的涂覆量為7.56 g，阻燃涂料的涂覆量為15.12 g。以未涂刷涂料的竹集成材作為參照，6種板材測試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3中可以看出：各曲線非常接近，說明僅在竹集成材表面涂刷涂料對板材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響不大。

圖3 各板材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算得出6種竹集成材測試件的彈性模量和靜曲強(qiáng)度如表5所示。與素材相比，涂刷涂料后測試件的彈性模量均有不同程度下降，測試件5下降最大，約下降15.23%，僅涂刷WPU(1號(hào)涂料)測試件的彈性模量下降7.46%，涂刷2、3、4號(hào)阻燃涂料測試件的彈性模量均比涂刷純WPU的測試件好，其中，涂刷2號(hào)涂料的測試件的彈性模量相比素材僅下降了1.88%，說明此測試件的剛度較好，不易變形?？傮w上，各測試件的彈性模量下降程度均不大，因?yàn)閺椥阅Ａ渴俏矬w的固有屬性，在表面涂刷的涂料難以均勻分散到竹材中，僅對表面有一定影響，難以對整個(gè)板材的彈性模量有影響。

表5 各板材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度

靜曲強(qiáng)度也可以表征材料的力學(xué)性能，一般情況下，靜曲強(qiáng)度越高，材料抗彎曲破壞能力越強(qiáng)。涂刷2、3、4號(hào)涂料的測試件的靜曲強(qiáng)度均有一定程度提高；涂刷1號(hào)和5號(hào)涂料的測試件的靜曲強(qiáng)度均有不同程度下降，其中，涂刷5號(hào)涂料測試件的下降程度最大，為9.14%，可能是因?yàn)樘砑游镏皇欠植荚谕苛现?，形成的是懸濁液，在干燥過程中并沒有滲透進(jìn)竹材，靜曲強(qiáng)度受到一定影響。

總體上，涂刷2號(hào)涂料的測試件的力學(xué)性能較好，較素材變化不大。涂刷5號(hào)涂料的測試件的力學(xué)性能變化程度較大，性能最差。

3 結(jié)論

（1）通過涂層的附著力與耐磨性測試篩選出最優(yōu)涂刷工藝：20%水性聚氨酯的涂覆量為6 g/0.01m2，此時(shí)的附著力為1級(jí)，質(zhì)量僅損失0.003 g，既能滿足要求，又能節(jié)省成本。

（2）三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)表明：僅在竹材表面涂刷涂料對材料的力學(xué)性能影響較弱，可以在滿足阻燃要求的同時(shí)用于紙張包裝等應(yīng)用。

（3）在與WPU固含量為20%的涂料等比例混合的情況下，力學(xué)性能最優(yōu)的阻燃劑組分及比例為m（硼酸）:m（硼砂）:m（水）=1∶1∶8。