葛秀方 (安徽省合肥市消防救援支隊,安徽 合肥 230001)
木材及其制品是人們生產(chǎn)生活當(dāng)中重要的建筑材料之一。木材具有金屬、塑料及其他化合材料不可比擬的優(yōu)點,如良好的視覺、觸覺、調(diào)濕特性及較高的強(qiáng)重比,其所具有的自然、美麗的紋理等優(yōu)勢,在建筑及裝潢業(yè)內(nèi)很受青睞。但是,普通的木材及其制品均具有易燃性和可燃性。2019年4月15日下午6點50分左右,法國巴黎圣母院在維修的過程中發(fā)生火災(zāi),整座建筑損毀嚴(yán)重。起火部位為木質(zhì)結(jié)構(gòu)的圣母院頂部塔樓,造成了很多的文物燒毀,損失不可估算,建筑也很難恢復(fù)到原來的模樣,全世界人民為之嘆息。為嚴(yán)格遵循防火設(shè)計要求、保障人民生命財產(chǎn)安全,在保留木材原有特性的基礎(chǔ)上,合理使用阻燃木材及制品,具有十分重要的意義。
木結(jié)構(gòu)建筑采用的木材量大,發(fā)生火災(zāi)時,火災(zāi)荷載大,干燥的木構(gòu)件易形成猛烈的立體燃燒,在短時間內(nèi)造成建筑物坍塌。
木結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)發(fā)生時,高溫?zé)煔庠谑覂?nèi)易積聚,當(dāng)達(dá)到一定的溫度時,能夠迅速達(dá)到轟燃階段,形成室內(nèi)的全面燃燒。
很多的木結(jié)構(gòu)建筑都是文物或珍貴的藝術(shù)品,發(fā)生火災(zāi)時,易造成巨大損失。
木結(jié)構(gòu)建筑大部分位于比較偏遠(yuǎn)的地方,消防水源缺乏、消防車通道不暢等原因,從而造成火災(zāi)撲救困難。
阻燃木材及制品按材料組成可分為三類:
①阻燃型木質(zhì)人造板,包括難燃膠合板、水泥刨花板、阻燃模壓木質(zhì)復(fù)合板材、彩色阻燃人造板等;
②阻燃木材,包括將防火涂料及防火劑涂刷或浸泡木材后形成的阻燃木材,以及采用其他方式進(jìn)行阻燃處理的木質(zhì)材料,其相關(guān)產(chǎn)品包括各種木結(jié)構(gòu)防火涂料、阻燃劑、透明防火涂料等;
③新型阻燃木質(zhì)復(fù)合材料,主要包括木材無機(jī)質(zhì)復(fù)合材料、木塑復(fù)合材料等。
其中①、②二類屬傳統(tǒng)的阻燃木材及制品,③屬阻燃木質(zhì)多功能復(fù)合材料,是在阻燃木材、阻燃木質(zhì)人造板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,具有不同于傳統(tǒng)的阻燃型木質(zhì)材料及制品的特點,是未來阻燃木材及其制品的研究和采用方向。
干木材的基本組成成分是50%碳、6%氫和44%氧,并且還有少量的氮和一些無機(jī)化合物。主要組成是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。表1為干木材的主要化學(xué)成分。
干木材的主要化學(xué)成分 表1
木材的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,其含量占比可以達(dá)到70%以上。其分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)不僅是木材各種理化性質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ),也是木材改變性質(zhì)和阻燃處理的化學(xué)基礎(chǔ)。木材的次要成分包括油提物、灰分等,其含量占比較低,但對木材的燃燒性能等級影響較大,根據(jù)相關(guān)實驗得知,油提物含量大的木材比較容易燃燒,灰分含量大的木材比較難燃燒。木材纖維素、半纖維素和木質(zhì)素都屬于高分子化合物,所以木材也是一種高分子復(fù)合體,不但可以發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),而且還可進(jìn)行降解反應(yīng)。同時,還可以進(jìn)行酯化、氧化、鹵代等多種反應(yīng),具有分子量的多分散性和結(jié)構(gòu)的多分散性,木材中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的反應(yīng)是木材阻燃處理的基礎(chǔ)。
木材及其制品的燃燒實質(zhì)上是木材在熱分解過程中產(chǎn)生的可燃物的燃燒,而木材的熱分解反應(yīng)實質(zhì)上是木材中3種主要化學(xué)成分熱分解反應(yīng)的總和。不同樹種的木材的燃燒性能不同。
部分木材的燃點(℃) 表2
實驗證明,木材及其各組分在150℃~550℃發(fā)生熱分解反應(yīng)會釋放出可燃和不可燃?xì)怏w,留下焦油和木炭等產(chǎn)物,催化劑可以改變熱分解和燃燒反應(yīng)的途徑、產(chǎn)物和速度,這是木材阻燃的化學(xué)基礎(chǔ),在著火點附近的吸熱分解階段,通過多吸熱,多產(chǎn)生水蒸氣,抑制可燃性氣體的產(chǎn)生或者抑制自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),這就是木材阻燃的關(guān)鍵,因此,200℃~300℃是木材阻燃處理的關(guān)鍵溫度。
木材是一種組成復(fù)雜的天然高分子材料,熱分解過程復(fù)雜,通過各種實驗分析,最好的阻燃方式就是在木質(zhì)材料中添加或浸漬阻燃劑,以改變它的熱解過程,達(dá)到延緩和阻斷燃燒的作用。
木材及其制品的阻燃處理是用物理、化學(xué)方法提高木材燃燒性能等級的技術(shù),使其不容易燃燒,或者被點燃的火焰不沿其表面延燒,脫離火源后立即熄滅的措施。
木材物理阻燃處理就是不改變木材化學(xué)成分及木材細(xì)胞腔結(jié)構(gòu)而提高木材燃燒性能等級的方法。
①采用大截面的木質(zhì)構(gòu)件,遇到明火不容易被點燃,燃燒時會生成炭化層,因為炭化層的導(dǎo)熱系數(shù)低,為木材的33%左右,炭化層可以減緩熱傳遞的過程,阻斷木構(gòu)件的持續(xù)燃燒,所以炭化層下的木材不容易被點著,其強(qiáng)度仍然能夠得到保持。
②把不燃性材料與木材及木制品制成各種不燃或難燃的板材,如水泥刨花板、阻燃模壓木質(zhì)復(fù)合板材、彩色阻燃人造板、木材無機(jī)質(zhì)復(fù)合材料等。
這是目前木材阻燃處理最普遍的方法,就是將具有阻燃功能的藥劑,注入木材表面、木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)中與其木材的主要成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),改變木材的性質(zhì)而達(dá)到抗燃的措施。
5.2.1 浸漬處理法
這種方法是木材阻燃處理的最佳方法,效果比較好,就是采用阻燃液對木質(zhì)材料及其制品進(jìn)行浸漬處理,包括常壓和加壓兩種方法,常壓處理又包括常溫和熱冷槽浸泡兩種方法。常壓浸泡中兩次浸漬最常用,就是將木材依次在兩種阻燃液中浸漬,在浸漬的過程當(dāng)中兩種阻燃液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在木材內(nèi)生成不溶于水的另外一種成分沉積在木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。其優(yōu)點是選擇適當(dāng)?shù)淖枞紕?,處理后的木材及制品具有抗生物降解、阻燃、?qiáng)度穩(wěn)定等功能。另外,處理過后的木材具有阻燃有效期長、阻燃液抗流失等優(yōu)點。不過在實際操作中這種方法還存在不足之處,如第二種阻燃液池中會隨著化學(xué)反應(yīng)的過程當(dāng)中,會不斷產(chǎn)生沉淀物,在處理沉淀物時會造成一定的環(huán)境污染,同時兩次浸漬之間的處理工藝比較復(fù)雜、時間長,投入的成本也會增加。
加壓浸漬是將阻燃液與木質(zhì)材料同時放入密閉的容器中,通過加壓將阻燃液注入木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。加壓浸漬處理又可分為空細(xì)胞法、滿細(xì)胞法等。根據(jù)國內(nèi)目前采用比較廣泛的木材及制品的阻燃劑性能分析來看,只有采用加壓浸漬處理才能使處理的木質(zhì)材料符合《建筑內(nèi)部裝修設(shè)計防火規(guī)范》(GB50222-2017)所要求的指標(biāo),目前國內(nèi)采用的典型加壓浸漬方法是先去樹皮、分段、干燥等預(yù)處理,然后裝入壓力容器內(nèi)。
加壓浸漬過程 表3
5.2.2 化學(xué)改性法
這種方法處理難度大,就是通過加壓浸漬把高分子化合物注入到木材內(nèi)部,一種方法就是通過高溫加熱、核照射等方法發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使高分子化合物在木材內(nèi)部聚合生成高分子聚合物,沉積在木質(zhì)材料及制品的內(nèi)部。另一種方法就是通過催化、偶聯(lián)、高溫等手段使阻燃劑的分子與木材成分中的羥基發(fā)生反應(yīng),生成乙?;静?、酯化木材等。上述兩種方法為化學(xué)改性法,都能有效地提高木質(zhì)材料的阻燃性能。
5.2.3 表面涂覆法
這種方法處理比較方便、廉價,就是把防火涂料噴涂在木質(zhì)材料及制品的表面上。膠合板表面噴涂防火涂料進(jìn)行檢測后確定燃燒性能等級,能達(dá)到一級飾面防火涂料指標(biāo)的,則該材料的燃燒性能就能達(dá)到B1級。木質(zhì)材料及制品經(jīng)表面噴涂后,基材應(yīng)與涂層整體按《建筑材料及制品燃燒性能分級方法》(GB8624-2012)進(jìn)行分級,必須經(jīng)過《建筑材料難燃試驗方法》(GB/T8625-2005)進(jìn)行檢測,能夠達(dá)到指標(biāo)的,才能作為B1級裝修材料使用。因此,木質(zhì)材料基材不經(jīng)過阻燃技術(shù)處理達(dá)到B1級指標(biāo)是很困難的。
隨著人民生活水平的提高,現(xiàn)代建筑的室內(nèi)裝修也越來越豪華,大多數(shù)室內(nèi)裝修材料是木材和木制品構(gòu)成,一旦著火,由于它們的易燃性,極易引燃和導(dǎo)致火災(zāi)蔓延,所以為了降低木材易燃的火災(zāi)隱患,必須對木材及木制品進(jìn)行阻燃處理,為人民的生產(chǎn)、生活提供一個良好的消防安全環(huán)境。