随着家居安全与防火标准的日益提升，兼具装饰与防护功能的阻燃材料成为家具制造业研发的重要方向。阻燃浸渍胶膜纸作为一种高性能表面装饰材料，将阻燃技术集成于浸渍胶膜纸饰面工艺中，为家具阻燃提供了高效的解决方案。本文阐述了阻燃浸渍胶膜纸的定义及其制备工艺；结合最新研究成果与行业标准，探讨了该材料应用于柜类家具时所展现出的阻燃及相应的物理力学性能，设计制造的阻燃饰面衣柜热释放速率峰值相比普通衣柜下降了62.5%，5min内总热释放量下降了79.0%，最大烟密度下降了55.0%，降低了火灾载荷、延长了逃生时间；展望了该材料在定制家居、公共场所及特殊环境柜类家具中的应用与未来发展。
根据国家消防救援局发布的数据，2024年，全国消防救援队伍共接报火灾90.8万起，其中，建（构）筑物火灾39.1万起，而在建（构）筑物火灾中，以居住场所火灾最多，为30.9万起，占比79%［1］。面对占比逐年攀升的住宅火灾及其产生的经济损失和社会影响，国家对消防安全重视度不断提升，政府相关部门和社会领域愈发关注公共场所使用制品的阻燃性能，并对其进行了相关标准要求［2-4］。现阶段，我国室内装饰装修中，大量墙板设计与应用逐渐代替传统油漆饰面，全屋定制成为家居产品发展的重要趋势。根据GB 50222—2017《建筑内部装修设计防火规范》的要求，墙板阻燃必须达到B1级。全屋定制的板式家具不同于传统可移动木家具，在一定程度上加大了火灾载荷。柜类家具作为室内定制家居空间的核心构成与主要可燃物，其防火安全直接关系到人民的生命与财产安全。传统木质柜体及普通饰面材料易燃、热释放速率快，火灾风险突出。现有家居产品阻燃技术中，通常以人造板基材阻燃、人造板基材表面贴面后涂刷阻燃涂料和三聚氰胺浸渍胶膜纸阻燃研究居多，主要存在工序烦琐、成本居高且环保性差等问题，同时忽略了表面装饰材料对板材燃烧性能的影响，增加了热释放速率，并且板材胶合性能和力学性能有所下降，材料应用过程中易产生吸湿返霜、腐蚀金属等弊病［5-8］。因此，开发与应用兼具阻燃与装饰功能的家具材料势在必行。浸渍胶膜纸饰面人造板因其色泽丰富、耐磨耐污、工艺成熟，已成为板式家具及定制柜体的主流表面装饰材料，占比超50%。然而，普通浸渍胶膜纸本身具有可燃性，成为火灾隐患之一。亟待开发一种新型阻燃浸渍胶膜纸，用于浸渍胶膜纸饰面板的生产及其板式家具的制作。
在此背景下，课题组长期对阻燃浸渍胶膜纸进行了专业研究与开发［7，9］。本文深入剖析阻燃浸渍胶膜纸的技术体系，以新型阻燃浸渍胶膜纸为阻燃饰面材料，以刨花板为基材，采用高温高压短周期贴面工艺，将阻燃浸渍胶膜纸压贴至刨花板表面，并将其应用于板式衣柜的设计制造，通过对比试验研究阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板制作板式衣柜的阻燃性能优势，旨在为阻燃浸渍胶膜纸在柜类家具中的设计应用提供技术支持，以推动该高性能贴面材料在家具产业的科学化、规模化应用。
1.阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板工艺
传统阻燃方式多针对中密度纤维板、刨花板等基材阻燃展开研究，将阻燃剂添加到人造板制作中，使基材产品具备一定的阻燃功能。对于表面阻燃方式而言，有少部分研究先在人造板表面覆贴三聚氰胺浸渍纸，然后在其表面涂布阻燃涂料，而阻燃浸渍胶膜纸饰面则直接将阻燃浸渍胶膜纸一次热压贴到人造板基材表面［10-12］。
阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板是将一定幅面克重的浸渍原纸，浸入配制好的阻燃浸渍树脂中，经过浸渍干燥后，再将阻燃浸渍树脂涂布其下表面（或上下表面均涂），干燥后制得阻燃浸渍胶膜纸，通过低压短周期工艺将阻燃浸渍胶膜纸压贴于基材表面，实现较好的阻燃效果，相对于传统阻燃人造板制备的工艺较为简化。阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板的核心是将阻燃功能集成于饰面用的浸渍胶膜纸中，在热压贴面的同时完成阻燃性能构建，实现“一次成型、双重功效”。
1.1阻燃浸渍胶膜纸的制备
将纳米埃洛石和绢云母等无机纳米粒子与磷酸酯杂化接枝，再与三聚氰胺甲醛树脂复配，制得杂化膨胀阻燃树脂，其黏度约为2.5 Pa·s，膨胀指数100 mL/g，经高温测试表明，在800 °C下其残炭率保持在25%以上。
加入炭层可使膨胀高度增加46.7%，炭层微观结构从蜂窝状变为层状，涂层热稳定性增强，实现了高效阻燃。将三聚氰胺甲醛树脂进行阻燃改性后，通过水性聚氨酯增韧，降低阻燃三聚氰胺甲醛树脂表面脆性、避免龟裂。阻燃三聚氰胺甲醛树脂的涂-4杯黏度在20 s以下，表面胶合强度大于0.6 MPa，涂层70 ℃烘干24 h不发生龟裂。采用传统一浸二涂工艺，将浸渍原纸浸入配制好的阻燃三聚氰胺甲醛树脂中，浸渍一定时间干燥后取出，使浸渍原纸干增重约为纸重的0.7倍，然后在浸渍纸上表面涂布普通三聚氰胺甲醛树脂，下表面涂布阻燃三聚氰胺甲醛树脂，再经干燥使浸渍原纸干增重约为纸重的1.5倍制得阻燃浸渍胶膜纸，既满足浸渍胶膜纸胶合强度、预固化度等基本理化性能要求，又满足阻燃性能要求。
1.2阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板工艺
阻燃浸渍胶膜纸可在刨花板、中密度纤维板、细木工板、胶合板等各类人造板基材表面进行压贴饰面。研究发现，根据不同的阻燃性能要求，可选择在人造板基材表面压贴单张或两张阻燃浸渍胶膜纸，制作阻燃浸渍胶膜纸饰面阻燃人造板。阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板的生产工艺流程见图1所示，浸渍原纸经阻燃浸渍树脂浸渍，在浸渍干燥生产线上制得阻燃浸渍胶膜纸，而后将其放置于人造板基材表面进行组坯，再后经热压机在生产工艺要求的热压压力、温度、时间条件下压制成板。一般而言，单张阻燃浸渍胶膜纸贴面工艺通常与普通浸渍胶膜纸贴面工艺相同，将阻燃浸渍胶膜纸置于人造板基材表面进行组坯，然后经热压饰面成型（见图2a）；两张阻燃浸渍胶膜纸贴面时，将两张阻燃浸渍胶膜纸相对组坯（即两张阻燃浸渍胶膜纸的阻燃面贴合进行组坯），热压成型。此时，通常的组坯顺序自下而上为人造板基材→阻燃浸渍胶膜纸→阻燃浸渍胶膜纸（见图2b）。前期研究经燃烧检测得出，当采用单张阻燃浸渍胶膜纸压贴刨花板时，其燃烧增长速率指数（FIGRA）为88.4 W/s，总热释放量（THR）为10.7MJ，总产烟量（TSP）为40.9 m2，符合国家标准要求的B1（C）级阻燃性能；当采用两张阻燃浸渍胶膜纸贴面时，其FIGRA为57.8 W/s，THR为7.1 MJ，TSP为32.6 m2，符合GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》平板状建筑材料及其制品燃烧性能等级的B1（B）级。通过大量前期研究发现，阻燃浸渍胶膜纸饰面刨花板的优化工艺参数为热压温度180～200 ℃，热压时间15～25 s，热压压力2 MPa。
图1 阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板生产工艺流程
Fig.1 Production process of decorated wood-based panels with flame-retardant impregnated film paper
图2 阻燃浸渍胶膜纸饰面刨花板组坯示意图
Fig. 2 Hot pressing schematic diagram of decorated particleboard with flame-retardant impregnated fim paper
经优化工艺压制的单张阻燃浸渍胶膜纸饰面刨花板的表面胶合强度为1.02 MPa，静曲强度17.08 MPa，弹性模量达3 217.33 MPa，1.5 N表面无大于90%的连续划痕，表面耐龟裂、耐干热和水蒸气均达到5级，表面磨耗值为49 mg/100 r，甲醛释放量为0.018 mg/m3。
2.衣柜结构设计与阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板的设计应用
通过相关研究表明，柜体结构强度对火灾载荷下的阻燃反应有较大影响，一般而言，结构稳定性好的室内装饰装修及家具，可有效提高火灾条件下的阻燃性能。本文采用非线性有限元法，建立了不同结构类型板式衣柜在火灾高温环境（600 ℃）下承受外力的力学仿真模型，采用数值模型分析不同结构分割下，板式衣柜的结构强度和最大受力变形情况，模拟探索不同结构类型板式衣柜的受力变形与结构稳定性，为板式衣柜设计和火灾载荷下结构强度影响提供技术参数，推进阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板在板式家具中的工业化应用。本文以刨花板为基材，厚度20 mm，密度为0.5 g/cm3，弹性模量2 000 MPa，泊松比0.3，在以上参数条件下，利用力学模拟软件，分别设计并建立了常见的4种不同结构和内部分割的板式衣柜模型，同时在压强10 MPa受力条件下，理论分析了结构设计对不同板式衣柜结构强度和受力变形的影响。
从表1可看出，4种柜体结构中，1号柜体的结构相对简单，总体尺寸相对较小，其规格尺寸为800 mm×600 mm×1 980 mm，在压强10 MPa受力条件下，衣柜整体受到的最大应力为0.15 MPa，并为正应力，但该值远小于材料的许用应力，故不会对其产生结构破坏，其最小应力是-0.15 MPa，最大变形仅为350×10-6 mm。2号柜体的结构相对1号柜较为复杂，其规格尺寸为1 500 mm×360 mm×2 800 mm，在压强10 MPa受力条件下，衣柜整体受到的最大应力为12.8 MPa，为正应力，最小应力是-15.8 MPa，最大变形为700×10-6 mm。3号柜体整体外形尺寸与2号柜体相似，但是柜体内部左侧分割隔板相对较多，且右侧设置了供长款大衣等存放的相对较大的垂直空间，从力学角度来看，其最大应力为正应力，值为24.8 MPa，最小应力-22.8 MPa，最大受力变形相对较大，为2.24×10- 3mm。4号柜体为三开门衣柜，其总体尺寸相对最大，为2 200 mm×360 mm×2 800 mm，从力学角度来看，其最大应力为正应力，值为16.8 MPa，最小应力-23.2 MPa，最大受力变形为840×10-6 mm。由表1中可以看出，在不同结构条件下衣柜的受力变形有所差异。在以刨花板为基材的模拟试验条件下，其受力变形会因内部分割、柜体尺寸等因素而不同，但其在压强10 MPa受力条件下，最大变形均相对较小，不至于产生大的受力变形和破坏。在高温受力力学仿真模拟软件下，1号柜体的变形相对最小，3号柜体的变形最大，其最大应力产生于柜体大件衣服存放的右侧部位，因此在实际的柜体结构设计中，应考虑到柜体尺寸与结构强度之间的关系。
表1 板式衣柜结构设计及受力变形分析
Tab. 1Structural design and force-deformation analysis of panel wardrobe
3.阻燃浸渍胶膜纸饰面板式家具的制造工艺
课题组已经对阻燃浸渍胶膜纸制备及其饰面工艺进行了较为系统的科学和基础应用研究，并通过了科学评价，目前对其在家具制造中的应用已进入生产线示范与应用阶段。阻燃浸渍胶膜纸饰面板特别适用于家居室内空间的橱柜、衣柜、书柜等各式柜类板式家具及木门、地板、墙板等制作。采用阻燃浸渍胶膜纸饰面板进行阻燃板式家具制造过程中，以阻燃浸渍胶膜纸饰面板为制造基材，先根据市场需求和订单要求进行家具尺寸、外观与结构设计，根据实际生产，将设计好的板式家具进行制作拆单，以满足该家具制作的工艺操作要求；按照设计好的家具尺寸和拆单形成的部件单元，在电子开料锯等设备上将阻燃浸渍胶膜纸饰面刨花板/中密度纤维板/胶合板锯切成符合要求的零部件。由于阻燃浸渍胶膜纸较厚，相对克重较大，为了防止阻燃浸渍胶膜纸饰面板锯切时局部崩边，采用硬质合金锯片或PCD金刚石锯片，锯片厚度2.2～2.5 mm，选用细齿96齿或120齿，锯片锯切转速略降，进给速度相对放慢，当阻燃浸渍胶膜纸饰面板为上下双贴面时，转速约70 m/s；采用PVC、ABS、PUR等封边材料在封边机上进行板件的封边处理，对于用阻燃浸渍胶膜纸做封边带，一般也应相对较厚，封边机封边时，进料速度相比常规有所降低，20～25 mm板厚的进料速度通常为12～18 m/min，压轮压力要求也略大于普通封边带，粗压轮的压力在0.3～0.5 MPa，精压轮则在0.2～0.4 MPa；根据结构设计图的要求，对板件进行钻孔操作，同样，由于贴面阻燃浸渍胶膜纸厚度相对较大，通常采用硬质合金钻头钻孔，主轴转速略高，取15 000～20 000 r/min，进料速度相对降低至0.1～0.2 mm/转，以防止钻孔时贴面材料与基材产生剥离；将所有锯切、封边、钻孔处理好的板件，按照设计图纸要求进行预安装，以确定相应的孔位等精确度足够，且板式家具的结构稳定性和外观尺寸等符合设计和生产要求。最后，将家具零部件包装入库，其主要工艺流程见图3所示。
图3 阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板板式家具生产工艺流程
Fig.3 Production process of flame-retardant impregnated film-paper faced artificial board
4.阻燃浸渍胶膜纸饰面衣柜与普通衣柜的阻燃性能表征
在对衣柜进行结构强度分析后，试验选择了表1中板式衣柜结构设计及受力变形分析模拟条件下的1号衣柜进行打样（具体尺寸见图4），分别制作了阻燃浸渍胶膜纸饰面刨花板的阻燃衣柜（以下称阻燃衣柜）和普通三聚氰胺浸渍胶膜纸饰面刨花板的普通衣柜（以下称普通衣柜），并将其送检，试验对比分析两种衣柜的阻燃性能，以表征阻燃浸渍胶膜纸饰面刨花板的阻燃衣柜的相关特性。
图4 衣柜结构与尺寸图
Fig. 4 Wardrobe structure and construction drawing
通过前期对阻燃浸渍胶膜纸的实践研究和理论分析，使用两张阻燃浸渍胶膜纸相对组坯制作阻燃浸渍胶膜纸饰面刨花板，在某家具公司完成了阻燃衣柜与普通衣柜的设计制作，尺寸图见图4。参照GB 8624—2012，将两种衣柜分别进行燃烧性能测试，由燃烧检测现场情况图5b和图6b可明显看出，两组衣柜在燃烧过程中，均显示出较强的燃烧态势，其中普通衣柜在燃烧阶段的表面燃烧相对更旺盛，且表现出较为明显的热释放和烟密度，当燃烧结束后，阻燃衣柜表面的自燃时间相对较长，主要因为两张阻燃浸渍胶膜纸在柜体表面形成了阻燃层。从图5c和图6c两个衣柜的炭层图可明显看出，饰面阻燃层在遇火后发泡形成多孔碳层，阻碍氧气和热量传导进入柜体的基材刨花板，阻滞火势的进一步扩散，阻止引发更大的燃烧热直至柜体结构性破坏，其对应的燃烧特性值如图7所示。
图5 普通衣柜及其燃烧过程图
Fig.5 Finished wardrobe with ordinary finish and its combustion process diagram
图6 阻燃衣柜及其燃烧过程图
Fig. 6 Finished flame-retardant veneered wardrobe and combustion process photos
从图7可明显得出，阻燃衣柜和普通衣柜在热释放速率、5 min内总热释放量等燃烧性能有明显不同。当燃烧时间1～300 s，随着燃烧时间增加，普通衣柜的热释放速率（HRR）呈现明显的增大趋势，并在280～300 s达到峰值，约为63.5 kW，当燃烧时间为300～600 s，随着时间延长，普通衣柜的热释放速率不断降低，低至5 kW，当燃烧时间为600～1 000 s，其热释放速率变化很小。对于阻燃衣柜而言，燃烧时间0～600 s，随着时间的延长，其热释放速率呈现缓慢逐步增长趋势，至600 s左右，其热释放速率达到增长拐点值，约23.8 kW，之后当火焰熄灭后，其热释放速率接近0 kW。当燃烧时间0～600 s，普通衣柜和阻燃衣柜的总热释放量均呈现较明显的增长趋势，且在相同时间，阻燃衣柜的总热释放量明显低于普通衣柜，特别在600 s时，两者相差18 MJ，后者为前者的3.6倍。在600 s之后，两者的总热释放量呈现不同程度的小幅增加，但增幅相对不显著。
图7 阻燃衣柜与普通衣柜的HRR和THR结果比较
Fig. 7 Comparison of HRR and THR results between flame-retardant wardrobes and ordinary wardrobes
按照GB/T 27904—2011《火焰引燃家具和组件的燃烧性能试验方法》的检测方法，经燃烧性能检测后，当热释放速率峰值≤200 kW，5 min内总热释放量≤30 MJ，最大烟密度≤75%时，表明硬质家具的燃烧性能等级可达到国家标准B1级要求。通过检验分析（见表2），与普通衣柜相比，阻燃衣柜的热释放速率峰值从普通衣柜的63.5 kW下降到23.8 kW，下降了62.5%，5 min内总热释放量从11.9 MJ降低到2.5 MJ，下降了79.0%，最大烟密度下降55.0%，参照GB 8624、GB/T 27904中硬质家具燃烧性能要求，阻燃衣柜的燃烧等级可达B1级要求。在日常民用家具和工程项目的实际应用中，采用阻燃浸渍胶膜纸饰面，不仅能起到对人造板基材表面的保护与装饰作用，而且还起到降低火灾载荷、阻止火灾蔓延的作用，对控制燃烧过程中的热释放速率、延长逃生时间具有重要意义。
表2 普通衣柜与阻燃衣柜的燃烧性能对比值
Tab. 2Comparison of combustion performance between ordinary wardrobes and flame-retardant wardrobes
5.结论
阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板可有效提高其阻燃性能，采用阻燃浸渍胶膜纸对人造板基材进行表面贴面，在不影响基材本身强度的同时，提高了阻燃性能，可广泛应用于家具、木门、地板、墙板等家居产品制作，具有良好的应用前景。本文采用阻燃浸渍胶膜纸饰面人造板制作的阻燃衣柜，可达到GB 8624中硬质家具燃烧性能等级B1级的要求，且与普通衣柜相比，其热释放速率峰值下降了62.5%，5 min内总热释放量下降了79.0%，最大烟密度下降55.0%，可有效提高家居衣柜的阻燃性能，对我国消防安全提供可行而有效的举措。
（来源：中国人造板）
