擠塑板單體燃燒試驗熱輸出及其燃燒性能研究

張毅鵬

(三門峽職業技術學院, 河南 三門峽 472000)

火災的發生威脅著人們的生命和財產安全，所以如何選擇建筑材料，使其滿足我國建筑材料的燃燒性能等級十分重要?，F代建筑大多使用的是有機保溫材料，它有著大部分無機保溫材料的物理性能，不僅能大大降低建筑發生火災的概率，還符合當代節能的要求，所以被廣泛地運用于現代建筑中。而擠塑板是建筑的一種材料，它的燃燒性能成為選擇建筑材料的一個重要指標。

1 擠塑板及其性能介紹

擠塑板是建筑有機保溫材料的主要品種，擠塑板的全稱是聚苯乙烯擠塑板(Polystyrene Extruded Board,XPS,以下簡稱擠塑板)，可見它的主要組成部分是聚苯乙烯樹脂。擠塑板的表面是平整的，因為它是經過特有技術加工而成的。擠塑板為封閉式均勻帶孔狀，大致呈一個蜂窩煤的形狀質量最小化，也正是因為其特定的結構，呈現出抗壓、輕質、不會積水的特點。閉孔式蜂窩結構般的厚板，抗壓能力極強，最高可抗壓至500 kPa，同時還具有持久的優良保溫性能，是一種導熱系數低的環保型保溫材料。綜上所述，在干墻體保溫、平面混凝土屋頂及墻面保溫時，都會考慮到擠塑板材料。擠塑板還被廣泛應用于低溫儲藏地面、低溫地板、泊車平臺、機場跑道、高速公路等公共區域，是目前建筑業首選的隔熱、防潮材料。

1.1 擠塑板的特性

一是隔熱性能。擠塑板特點是高熱阻，低線性，膨脹比低。擠塑板的導熱系數小于或等于0.028 W/(m·K),遠遠低于其它的保溫材料(工程上通常把導熱系數小于0.25 W/(m·K)的材料作為保溫(絕熱)材料), 有試驗證明10 mm厚的XPS擠塑保溫板，其保溫效果相當于25 mm厚發泡聚苯乙烯，60 mm厚水泥珍珠巖。所以應用到屋面、冷庫、墻體內外的保溫隔熱效果比其他材料好。

二是阻隔濕氣。吸水率高會使其隔熱性能變差，但因為擠塑板具有完整的閉孔式結構，板的正反兩面都不會出現縫隙，當漏水、冷凝、冰凍等情況發生時，能很好的阻隔濕氣，濕氣不會輕易滲透，這樣可以有效的防止板材老化。

三是高強度抗壓。XPS擠塑板的蜂窩閉孔式結構使其抗壓能力極強，抗壓強度可達到500 kPa，而很多建筑中就是需要如此強大的抗壓性能。

四是阻燃性能。很多公共場地，如體育場館、會展中心、工廠等地對保溫材料選擇標準就是對其阻燃性能的要求，而擠塑板是典型的阻燃產品，完全可以滿足顧客的要求。

五是高品質的環保型材料。目前國家倡導使用環保型材料，而建筑中采用環保型材料更是成為重中之重。XPS擠塑板有著穩定的化學性質，無論在什么情況下，都不會產生任何有害的物質。也不會分解出任何物質，更不會輕易霉變，正如它的特性之一就是耐腐蝕。XPS擠塑板的生產原料用的都是環保型原料，不會產生有害氣體，生產工藝中亦采用了環保技術，也會回收產生的固體廢料，經處理后再使用，非常符合當今的環保理念。

六是施工便利成本低。由于其材料都很輕，所以可以輕易搬運，輕易切割，不需要任何工具，其質量輕，固定的時候也簡單，只需鐵片、鐵絲塑膠粘合劑式聚合物砂漿即可固定，穩定性也極高，這些特性都大大降低建筑施工的成本。

2 單體燃燒試驗及數據分析

單體燃燒試驗是評估建筑材料暴露在明火條件下所表現性能的試驗方法。以下通過測量試驗期間氧氣濃度的改變，以及管道中煙氣流量、CO2濃度等關鍵參數來計算總熱釋放量(THR)，熱釋放速率(HHR)，燃燒增長速率指數(FIGRA)等。采取對聚苯乙烯保溫板、酚醛板、XPS擠塑板、橡塑海綿和聚氨酯進行單體試驗，氧指數、氧氣彈性熱值法和煙氣毒性動物試驗法等，試驗過程中要考慮到實際使用中的安裝方式，安裝在試樣架上的試樣一定要相互垂直，以保證試驗的準確性。

2.1 氧指數

將材料放在氮氧混合氣體中，看材料燃燒與否，可以得出材料穩定燃燒的最低氧濃度，從而求出氧在混合氣體所占的百分比。

2.2 煙氣二氧化碳體積分數

在求氧氣百分比的時候，可以變換思維，測量材料燃燒前后煙氣二氧化碳體積分數的變化，具體看試驗哪個更便于得出實驗數據和得出試驗數據的準確性，從而做出選擇。

2.3 氧氣彈量熱試驗

使用氧彈測量儀來測量材料周圍的溫度，將所測量的材料放在氧彈試驗容器中完全燃燒，周圍的介質溫度會因為燃燒時放出的熱量而升高，需要在試驗前也進行一次溫度測量，通過對比燃燒前后溫度的變化可以得出燃燒數據。

2.4 煙氣毒性

選擇小白鼠做煙氣毒性試驗。將小白鼠作為一個接收煙氣毒性的對象，準備幾根足夠長的石英管，將材料裝置石英管中，材料在一定溫度下熔解，成為氣流流入放置小白鼠的箱子，流入的時間和周圍的環境狀況要相同，可以依據小白鼠在接收煙氣毒性前后的體質量變化，從而得出影響小鼠體質量材料的質量數。

2.5 總熱釋放量、熱釋放速率、燃燒增長速率指數

前面所得到的數據都是可以測出來的，而熱釋放速率(HRR)、總熱釋放量(THR)、燃燒增長速率(FIGRA)需要通過原始測量數據，根據單體燃燒試驗的熱輸出原理，經過一系列計算得出。熱釋放速率(HRR)=E·V·M(A/1+0.105A)，式中：E為每單位體積氧消耗的熱量，V為煙氣的流速，在計算體積流速的時候應考慮測量時的壓力差、溫度和，A為耗氧系數,可以根據氧氣所在混合氣體濃度的百分比所得出；總熱釋放量(THR)等于HRR的平均值；燃燒增長速率(FIGRA)=1000·(HRR/t-300)max。

2.6 測定XPS擠塑板燃點溫度實驗

實驗裝置包括溫度測定儀、秒表、鑷子和點火器等。首先需要將材料磨成細沙，并用天平稱重。先將稱好的材料放入容器中，然后將其放在可傳導熱量的銅爐當中，銅爐需要事先加熱到300 ℃，每組試驗依次加5 ℃，直到得出擠塑板的燃點溫度。然后，將銅爐置于點火器的上方，同時啟動秒表，觀察其火焰持續的時間以及火焰的長度。可以多做幾組試驗，以保證試驗的準確性，避免偶然性。

3 試驗現象及結果分析

3.1 燃燒現象的分析

在試驗的時候，XPS擠塑板在遇到火苗的時候會熔融，熔融區域只會在火苗的附近，不會燃燒，也不會有蔓延的跡象，但熔融后的滴落物是會燃燒的；酚醛板燒器火焰接觸區附近；聚苯乙烯保溫板在碰到火源的時候，會出現燃燒和熔融兩個現象，熔融滴落物遇火是會燃燒的；聚氨酯保溫材料遇火出現的現象比較嚴重，會出現較大火焰和煙霧，并且火焰會蔓延；橡塑板遇火燃燒熔融，會產生大量的煙霧，火焰不會蔓延，但燃燒的時間會較其他長一些。試驗燃燒數據見表1。

表1 試驗燃燒數據表

3.2 分析

由表1氧的百分比結果可以看出橡塑海綿與其他材料相比，所需的氧氣量是最高的，擠塑板次之，接著就是聚苯乙烯保溫板，最后才是聚氨酯。這可以看出橡塑海綿的阻燃性效果是最好的。在氧氣充足的情況下，材料碰到火苗的時候可能就會引發火災。表1的第二個數據氧彈法是在相同的氧氣含量中所釋放的熱量，由表1可知，擠塑板的燃燒熱量最高，橡塑海綿的燃燒熱量最低，聚苯乙烯釋放的熱量與擠塑板相差不大，很大程度上的原因可能是由于它們具有相同的原材料。通過實驗可知，在保持外部條件相同的情況下，材料及它們質量數的不同，所得出白小鼠的體質量也是不同的。根據試驗可以得出，擠塑板質量數為23的時候，小白鼠在試驗前后的體質量不會有太大變化，而在其他質量數的情況下，小白鼠的體質量都會有所下降。橡塑海綿的最佳質量數是15，聚氨酯的質量數是3，聚苯乙烯的質量數是25。表1中還有可以直接測出數據的是二氧化碳的體積分數。將材料置于相同濃度氧氣條件下封閉式燃燒，可以測出燃燒結束時二氧化碳的體積分數?？諝庵腥绻趸嫉捏w積分數達到1/500 000就會對人體產生傷害，人體的呼吸速度會隨著二氧化碳的升高而升高，從而會加速對有毒氣體的吸收，威脅人們的生命安全。有統計表明，火災中大部分發生死亡的原因是由于煙氣的影響，有很大程度上是因為吸收了有毒的煙氣而昏迷致死。

通過實驗所獲數據可知，擠塑板材料在400 s左右的時候熱釋放速率會達到峰值，之后迅速下降，到800 s時再增大一點，之后趨于平緩；橡塑海綿在400 s左右時升高到10，之后，都會趨于平緩的狀態；聚氨酯熱釋放速率不大，一直都處于平緩的狀態。在做擠塑板燃點試驗時，銅爐溫度為330 ℃以下時，每組的時間為5 s，未出現任何的火焰；銅爐溫度為330 ℃以上時，出現斷斷續續的火焰；銅爐溫度為350 ℃時，火焰持續正常。因此，可判定擠塑板的燃點溫度在350 ℃左右。由此可見，擠塑板的燃點較高，這是它在建筑中更受歡迎的主要原因。

4 結論

通過實驗可知，聚氨酯的質量數較其他幾種材料小的多，所以可以判斷出它燃燒產出煙氣的毒性最強，發生火災的時候，對人們的生命安全威脅也最大。XPS擠塑板和聚苯乙烯保溫板在燃燒的時候會有滴落物，熔融后的滴落物都會燃燒，但火勢不會太大，也不會有明顯的蔓延現象，而酚醛板和聚氨酯材料燃燒后沒有滴落物，但是火勢會蔓延，從而也影響著人們的生命和財產安全。擠塑板的熱釋放速率和熱釋放量較其他的材料都更大，且到達峰值的時間短，一旦發生火災，其潛在的轟燃危險大，現場人員逃生的時間很有限，所以在廣泛運用于建筑材料中，具有潛在的重大火災危險性。但擠塑板的質量數較其他的小，所以毒性較小，適合在施工中運用。