燃え拡がりの様子は、ろ紙に浸み込ませた接着剤の種類及び含有量によって異なる。樹脂を含有しないろ紙のみの燃え拡がりにおいては、燃焼後、微量の灰が残るだけである。これに対し、燃え拡がりが持続する範囲で、尿素樹脂含有試料とポリ酢酸ビニル樹脂含有試料を比較すると、燃え拡がりの様子はほぼ同じであるが、火炎の大きさはポリ酢酸ビニル樹脂含有試料の方が大きい。また、尿素樹脂含有試料では、燃焼後生成した炭化物がそのまま残留するのに対し、ポリ酢酸ビニル樹脂含有試料は、生成した炭化物が火炎通過後表面燃焼する。このような燃え拡がり現象の差は、熱分解の過程が異なり、発生する熱分解気体の組成や熱分解領域における炭素残さと未燃焼部分への熱移動との関係にも、差があることを示していると考えられる。

　今回用いた接着剤用樹脂の燃焼性についても、接着剤の燃え拡がりに及ぼす影響を論ずるうえで、知っておく必要がある。尿素樹脂は、それのみでは着火しないが、ポリ酢酸ビニル樹脂は、着火し、燃え拡がる。また、ポリ酢酸ビニル樹脂のみの場合、炭化物が全く生じないことが分かった。

　樹脂を含有する試料は、燃焼後生成した炭化物が燃え拡がりに影響を及ぼしていると考えられ、炭化物についてより詳細に調べる必要があると思われる。そこで、電子顕微鏡を用いて、炭化物のSEM写真を撮った。SEM写真により、尿素樹脂を含有する試料の方が、ポリ酢酸ビニル樹脂を含有する試料より、燃焼後残る炭化物が多く、また繊維と繊維の間にの隙間が小さいことが分かった。

　試料中の樹脂の含有量によって、燃え拡がり速度が変化する様子を調べた。いずれの場合にも、試料中の樹脂含有量が増すにつれて燃え拡がり速度が低下してゆく。ポリ酢酸ビニル樹脂を含有する場合、樹脂の含有量が大きくなると、燃え拡がり速度は、樹脂を浸み込ませないろ紙の燃え拡がり速度の5分の1程度にはなるが、燃え拡がりが中断することはない。これに対して、尿素樹脂を浸み込ませた場合、燃え拡がり速度の減少の割合はポリ酢酸ビニル樹脂を浸み込ませた場合より大きい。また、含有量がろ紙の質量の4分の1程度を超えると、燃え拡がりは中断してしまう。中断する場合、着火後燃え拡がりが中断するまでに熱分解領域が移動する距離は、試料中の尿素樹脂の含有量とともに急激に減少し、その含有量が10mg/cm²を超えると着火直後に燃え拡がりは中断する。

　可燃性固体の燃焼速度を質量燃焼速度として表すことがあるが、これは質量燃焼速度が火災の燃焼を支配する重要な要素の一つであることによる。セルロースよりなる薄い可燃性固体である紙の燃え拡がりにつては、数多くの人々によって研究され、これらの研究の結果として、薄いろ紙の単位幅あたりの質量燃焼速度はほぼ定数であるとされてきた。本研究では、用いた試料は薄いといえ、これについて、単位幅あたりの質量燃焼速度(V)は定数になるかどうかを調べるため、Vを実験結果をもとに計算してみた。樹脂を含有していない薄いろ紙のみの場合、単位幅あたりの質量燃焼速度Vはほぼ定数であるが、樹脂を含有している試料の場合、樹脂の含有量が大きくなると、Vがの増大とともに減少してゆくという結果が得られた。また、Vの減少の割合は、尿素樹脂含有試料の方がポリ酢酸ビニル樹脂含有試料より大きくなっている。これらの結果は、接着剤が浸み込んだ薄いろ紙については、単位幅あたりの質量燃焼速度が定数であるという従来の結果と大幅に異なっている。

　TG分析では、試料を窒素あるいは空気雰囲気中におき、一定の昇温速度(10,20,30,40,50℃/min)で室温から800℃まで加熱し、時間或いは温度に対する重量変化を調べた。また、得られたDTG曲線のピーク点での温度を熱分解温度と定義し、測定した。

　ろ紙のみの場合、DTG曲線には二つピークが現れる。このことから、ろ紙の熱分解反応は二段階で起きていることがわかる。第一段階(320〜440℃)では、ろ紙の主な熱分解プロセスが起こり、セルロースのモノマー単位であるリボグルコサンが生成昇華し、急速な重量減少(約90%)が起こる。第二段階では、残る炭化物の高温分解が起こる。ポリ酢酸ビニル樹脂の場合には、DTG曲線には三つピークが現れる。第一段階(310〜430℃)では、熱分解反応の主反応が起こり、ポリ酢酸ビニル樹脂の側鎖が離脱し、酢酸ビニルを生成しながら、主鎖に二重結合を形成する。第二、第三段階では、それぞれ、酢酸ビニルの熱分解と残る炭化物の高温分解が起こると推定される。ポリ酢酸ビニル樹脂の第一段階での重量減少率(熱分解で減少した質量と初期質量の比)は約75%で、ろ紙のみの場合より熱分解で残る炭化物の量が多いことが分かる。尿素樹脂の場合には、より低い温度で熱分解反応が始まり、第一段階(180〜240℃)での重量減少率は約10%である。第二段階(240〜400℃)では、熱分解反応が激しく進行し、約70%の質量が減少する。GC-MSの分析結果によれば、この段階で熱分解生成物は主な二酸化炭素(CO₂)と亜酸化窒素(N₂O)である。

　樹脂を含有する試料について、含有量が熱分解温度及び質量減少率に及ぼす影響を調べた。ポリ酢酸ビニル樹脂を含有する試料と尿素樹脂を含有する試料のいずれにおいても、熱分解温度は樹脂の含有量の増加とともに低下する。ポリ酢酸ビニル樹脂を含有する場合、熱分解の第一段階での質量減少率は樹脂の含有量の増加とともに低下し、最大限に樹脂を含有させた時の質量減少率は約78%となる。これに対して、尿素樹脂を含有する場合、熱分解の第一段階での質量減少率は樹脂の含有量の増加とともに増加する。しかし、第二段階での質量減少率は、樹脂の含有量が増加してもそれほど変化せず、約75%である。これらの結果から、ポリ酢酸ビニル樹脂を含有する試料では、熱分解で残る炭化物の量が樹脂の含有量の増加とともに増加することが分かる。また、尿素樹脂を含有する試料では、熱分解で発生する燃焼不活性ガスの量が樹脂の含有量の増加とともに増加し、熱分解で残る炭化物の量もポリ酢酸ビニル樹脂を含有する試料より大きいことを示した。

　可燃性固体の質量燃焼速度は、火炎から固体に伝えられる熱量と分解、気化等に使われる熱量のバランスを考えることにより予測できる。火炎先端近傍での熱移動と単位幅あたりの質量燃焼速度の関係を整理すると、次のようになる。

　ここで、は厚さ、は密度、cは比熱、Tは温度、は熱伝導係数、は放射率、はStefan-Boltzmann定数である。添え字gとsは気体と固体の意味で、温度の添え字x＝0,r,wはそれぞれ熱分解温度、室温、試料の表面温度である。左辺Vは単位幅あたりの質量燃焼速度で、右辺の大括弧の第一項は気相からの熱伝達、第二項は放射による熱損失、第三項は固相からの熱伝達である。

　薄いろ紙のみでは、第三項で表れる固相からの熱伝達は無視することができる。また熱分解先端の温度がそれほど高くないので、第二項で表れる放射による熱損失も無視することができる。火炎の温度と熱分解温度が一定であるので、第一項と大括弧前の項は定数であると考えてよい。以上のように仮定できれば、単位幅あたりの質量燃焼速度は定数になるはずである。

　ところが樹脂を含有する場合、前述したように、熱分解温度は樹脂の含有量の増加と共に減少するので、試料の厚さとろ紙、樹脂の比熱があまり変わらなければ、この式の大括弧の前の項は大きくなる。Vが減少するには、もし大括弧内の第二項、第三項が無視できるとすれば、同じ大括弧の第一項で表わされる気相からの熱伝達は減少しなければならない。以上のことを検証するため、本研究では、実験で得られた試料が燃焼する時の気相温度及び試料の表面温度を用いて、式の右辺の各項について計算を試みた。結果は次のようである。

　ポリ酢酸ビニル樹脂を含有する場合、式の右辺の大括弧内の第二項によって表わされる放射による熱損失と第三項によって表わされる固相からの熱伝達は、樹脂を含有しないろ紙のみの場合と比較すると、あまり変わらない。すなわち、Vが減少する主な原因は、第一項で表わされる気相からの熱伝達が減少しているためである。

　尿素樹脂を含有する場合、式の右辺の大括弧内の第三項にで表わされる固相からの熱伝達は、ろ紙のみの場合と比較すると、あまり変わらないが、第二項で表わされる放射による熱損失は、ろ紙のみの場合より大きくなっている。Vが減少する主な原因は、第一項で表わされる気相からの熱伝達が減少していることに加えて、放射による熱損失も大きくなっているためである。

　これまでに行ってきた、燃え拡がり現象に関する研究の結果から、ポリ酢酸ビニル樹脂と尿素樹脂を含むろ紙の燃え拡がりにおいて、いずれの場合にも、樹脂の含有量が増加すると、燃え拡がり速度が減少することが分かった。その理由としては、次のようなことが考えられる。樹脂を浸み込ませると、試料の密度が大きくなり、熱容量も大きくなる。したがって、気化するのに必要な熱量が大きくなり、この結果、燃え拡がり速度が減少する。

　ポリ酢酸ビニル樹脂を含有場合、ポリ酢酸ビニル樹脂の熱分解によって、酢酸が生成するので、セルロースのエステル化による脱水反応とカルボニルイオン生成反応が起こる。その結果、固相内で可燃成分である水素が水に変化し、水蒸気となって気化熱を奪うことになり、燃え拡がり速度が低下する。また、可燃成分が炭化物になることによって固相にとどまり、気相内には可燃性成分が出でないという反応機構でも難燃化している。

　尿素樹脂を含有する場合、尿素樹脂自体が難燃性を持つ熱硬化性高分子物質である。このような高分子物質は、熱を加えると、高度に架橋した三次元ネットワーク構造になる。この場合、結合がきれても可燃性の気体が発生せず、炭化が進行し、熱安定性の高い高分子を得るため、難燃性が高くなる。

　尿素樹脂含有量が増加すると、燃え拡がりが中断する原因として、次のようなことが考えられる。まず、樹脂の含有量が増加すると、生じる炭化物の割合も増加し、それによる熱移動の抑制効果が大きくなる。また、樹脂の含有量の増大とともに熱分解によって生じる燃焼不活性な気体の濃度も増加し、そのため、希釈の効果が大きくなる。これらのことにより、火炎において発生する熱が減少し、熱分解領域へ伝わる熱が減少するため、気体発生量自体が少なくなり、ついには火炎を維持できなくなる。このようにして燃え拡がりが中断する。