典型外墻保溫材料火災特性的微燃燒量熱儀實驗研究

●陳應周

(廈門市消防支隊，福建廈門 361012)

全球氣候變化與溫度升高引起了人們廣泛關注，節能減排成了全人類的共同挑戰［1－4］。對于建筑節能來說，在建筑外墻布設輕便、隔熱且耐候性能好的保溫材料是一種重要的節能減排方法，然而中央電視臺北配樓火災［5］和上海靜安區教師公寓火災［6］導致的悲劇，給人們敲響了警鐘，即這些保溫材料在帶給人們節能便利的同時，也給人們的家居、辦公及公共場所外壁包覆了一層快速燃燒的可燃物，帶來火災威脅。為此，針對建筑外墻保溫材料的火災性能，前人開展了一定的研究［7－11］，這些研究為實際建筑外墻保溫材料的選型與設計，提供了一定的指導依據。然而，建筑材料典型火災參數的測量，若能夠避免材料外形等尺度因素的影響，則對于深入分析與對比不同材料的燃燒性能具有重要的指導意義。本文基于微燃燒量熱儀(Microscale Combustion Calorimeter，以下簡稱MCC)，僅用毫克量級的材料，對其燃燒性能進行對比研究，從而為我國建筑外墻保溫材料的選型與具體設計，提供科學的指導。

MCC是為了提高典型材料燃燒特性的測試精度及其可對比性而發展的一種新興測試儀器，主要利用熱分析手段來精確檢測化學物質燃燒時的各典型火災參數。它的主要優點在于僅僅需要若干毫克的試樣，對其進行燃燒實驗測試，可排除燃燒釋熱過程引起的一些物理因素的影響，測量過程中通過計算機控制來實現精確溫度和氣流量的調節，因此可在短短數分鐘內對其火災特性進行快速測量，以便于各類材料火災特性的對比與分析。

1 實驗樣品與方法

通過對當前建筑外墻所用保溫材料的調研與分析，本文選取目前我國普遍采用的3種保溫材料，即XPS、EPS和PU，首先對未添加阻燃劑的這3類保溫材料，基于MCC實驗儀，對其典型火災特性參數進行實驗測量。此外，為了對比分析建筑保溫材料中添加阻燃材料之后對其燃燒性能的影響，選取PU作為研究對象，將經過鹵素阻燃的PU材料與未經過阻燃處理的PU材料，基于MCC實驗儀，進行對比實驗研究。

2 結果與討論

基于MCC實驗儀，針對上文所選的4種建筑外墻保溫材料，對其典型火災特性參數進行實驗測量，這里設定的MCC測試條件為:升溫速率60℃·min－1，氣流通量 103 mL·min－1。實驗測量的火災特性參數主要包括:燃燒組成值、熱釋放速率、總熱釋放量、點燃溫度。

2.1 熱釋放速率曲線分析

圖1給出了3種未經阻燃的典型外墻保溫材料受熱燃燒過程中的熱釋放速率變化曲線，由圖可見，所選3種外墻保溫材料受熱后生成的熱釋放速率變化過程都顯著表現為僅有單一峰值，即這3種材料均只有一個顯著的迅速釋熱過程。其中，XPS和EPS盡管加工生產工藝存在不同，然而由于其組成成分相同(均為PS)，因而其燃燒特性也較為相似。如圖1所示，XPS和EPS受熱后均顯示出一個很陡的釋熱峰，而與XPS相比，EPS保溫材料的熱釋放速率峰值更早到達，即在較低的溫度值達到其熱釋放速率峰值。而與XPS、EPS相比，PU材料在熱解燃燒過程中所表現出的釋熱過程則明顯緩和，盡管PU材料到達熱釋放速率峰值的時間也較早，與EPS材料熱釋放速率峰值所到達時間相近，然而，其熱釋放速率峰值比2種PS材料的熱釋放速率峰值顯著較小，可見，這里所針對的3種未經阻燃處理的典型保溫材料，PU材料在熱解燃燒過程中所釋放的熱量小得多，即在釋熱速率大小方面，PU體現出較好的火災安全性。

圖1 材料受熱過程中熱釋放速率

圖2給出了經過鹵素阻燃處理與未經阻燃處理的PU材料在MCC實驗中的熱釋放速率對比，由圖2可見，兩條熱釋放速率曲線的形狀類似，但是，與未經阻燃處理的PU材料的熱釋放速率峰值相比，經過鹵素阻燃的PU材料的熱釋放速率峰值明顯較小，可見，鹵素阻燃對于降低保溫材料受熱過程中的釋熱大小具有顯著作用，也體現了其釋熱方面的安全性。

2.2 氧濃度曲線分析

圖2 鹵素阻燃與未阻燃處理的PU材料受熱過程中熱釋放速率

圖3給出了3種典型建筑保溫材料受熱燃燒過程中氣流內氧氣濃度的變化過程，由圖3可見，熱解過程中消耗氧氣量由少到多的次序為:PU、EPS和XPS，即PU材料在受熱過程中，發生的氧化釋熱過程相對較不劇烈，釋熱和耗氧量均較少;而XPS則反之，因此，XPS在火災條件下的危險性應更大些。圖4給出了進行鹵素阻燃和未經阻燃處理的PU材料熱解燃燒過程中消耗氧氣速率的對比，由圖可見，經過阻燃處理的PU材料熱解過程中消耗氧氣速率較小，而兩種材料在熱解燃燒過程中達到氧氣消耗峰值的時刻則相近。

圖3 材料熱解過程中的氧濃度

圖4 鹵素阻燃與未阻燃PU保溫材料熱解過程中的氧濃度

2.3 火災特性參數分析

為了對上述材料的典型火災特性參數進行進一步清晰對比，表1給出了上述典型建筑保溫材料的主要火災特性參數。由表中各參數值可見，對于2種PS材料，其燃燒組成值、熱釋放速率峰值、總熱釋放量和點燃溫度均很接近，這表明，對于MCC這種小尺度實驗，PS生產過程中的不同工藝，對其影響很小。然而，與未經阻燃的兩種PS材料相比，未經阻燃的PU材料的燃燒組成值和熱釋放速率峰值不足PS材料相應值的1/5，這表明，在同樣未經阻燃的條件下，PU材料釋熱少得多，更顯火災安全性。此外，與未經阻燃處理的PU材料相比，經過鹵素阻燃處理的PU材料的燃燒組成值、熱釋放速率峰值和總熱釋放量都更小。

表1 材料的火災特性參數

3 結論

本文針對幾種典型建筑外墻保溫材料EPS、XPS和PU，基于MCC對其主要火災特性進行了實驗研究與對比，并分析了鹵素阻燃處理后的PU材料與未經阻燃處理的PU材料的火災特性參數。結果表明，同樣未經阻燃的PU材料的燃燒組成值和熱釋放速率峰值不足PS材料相應火災參數值的1/5，即PU材料熱解燃燒過程中釋熱小得多，更顯火災安全性。此外，與未阻燃的PU相比，經過鹵素阻燃的PU各釋熱相關參數值均較小。因此，PU保溫材料比PS保溫材料的火災安全性較高，經阻燃處理后的PU材料安全性更佳。

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