高密度型（G 型）改性聚苯板燃燒熱值分析

張屹東，朱春玲

（1.建筑安全與環境國家重點實驗室，北京 101119；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

作為一種新型的兼顧防火及保溫效果的墻體保溫材料，熱固復合聚苯乙烯泡沫保溫板（以下簡稱“改性聚苯板”）目前在工程中被廣泛應用。在其產品標準JG/T 536－2017《熱固復合聚苯乙烯泡沫保溫板》［1］中要求，對于標稱密度在140～200 kg/m3（±10 % 的偏差）的高密度型（G 型）改性聚苯板，燃燒性能等級須達到 A2 級。該材料的性能參數及施工技術已有部分研究［2-5］。有研究指出，表觀密度超過 200 kg/m3 以上時其燃燒性能等級才有可能達到 A 級［6］，而也有研究表明容重在 125～130 kg/m3的改性聚苯板，其燃燒性能也可達 A 級［7］，目前各項研究也是說法不一，對產品的燃燒性能等級評價及其在工程中的應用造成一定的困擾。在 GB 8624－2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》［8］中對平板狀制品燃燒性能 A2 的判定中，燃燒熱值和單體燃燒試驗（SBI）是比較常用的判定方法。根據近些年對此類產品的檢測發現，G 型改性聚苯板在進行 A2 級測定過程中，一般均可以通過單體燃燒試驗（SBI）確認對 A2 級的判定要求，問題常出現在板材的燃燒熱值判定試驗中，因此經過燃燒熱值的測定，即可大致判斷出此類材料能否可滿足 A2 級的要求。

目前對此類材料的燃燒性能研究較少，研究較多的為材料的隔熱性能、力學性能、耐候性、吸水性能等［9-11］。但在工程應用中存在一個誤區：只要板材的標稱密度達到 140 kg/m3，甚至有 10 % 的負偏差時，樣品的燃燒性能肯定可以達到 A2 級。本文針對此問題，選取不同生產廠家、相同及不同密度的 G 型改性聚苯板，對其進行燃燒熱值的測定，并結合 X 射線衍射（XRD）對無機改性材料的成分進行分析，來對上述誤區進行初步的解釋，以達到避免不合格樣品在工程中應用的目的。

1 樣品準備

首先，選擇 3 個廠家（廠家 1#、廠家 2#、廠家 3#）的板材（見圖 1）。廠家 1# 板材整體顏色為白色；廠家 2#板材整體顏色為灰黑色，標稱密度均為 180 kg/m3；廠家 3# 板材整體顏色為淡橙紅色，標稱密度為 140 kg/m3，3 個廠家樣品的基本信息如表 1 所示。

圖1 三個廠家樣品的外觀照片

表1 廠家 1#，2# 和 3# 板材樣品基本信息

從樣板芯部均勻處取樣，對板材的無機改性材料、有機泡沫進行機械分離，為保證試驗結果的準確性，將分離出的兩組份樣品，全部依次進行燃燒熱值試驗，并通過各組份所占的質量百分比，計算最終樣品整體的燃燒熱值。3 個廠家板材試樣的組份分離結果如表 2 所示。

表2 廠家 1#、2# 和 3# 板材試樣組份分離結果

可以看出，3 個廠家板材分離后的有機泡沫和無機改性材料的質量百分比存在著一定的差異。尤其廠家 3# 標稱密度為 140 kg/m3的樣品，有機泡沫的百分含量明顯升高，約占整體質量的 1/3。

2 試驗及結果分析

1）對廠家 1# 板材無機改性材料的試驗結果如表 3 所示。

表3 廠家 1# 板材的無機改性材料的試驗結果

2）對廠家 1# 板材有機泡沫的試驗結果如表 4 所示。

表4 廠家 1# 板材有機泡沫的試驗結果

根據 GB/T 14402－2007《建筑材料及制品的燃燒性能 燃燒熱值的測定》［12］中對于多組份材料熱值的計算方法，在廠家 1# 無機改性材料測試中，所有的結果均為負值，并且此結果（約-0.3 MJ/kg）會對樣品的整體試驗結果產生影響，所以不能將其燃燒熱值設定為 0。因此廠家 1# 板材整體的熱值結果計算如式（1）所示。

3）對廠家 2# 板材無機改性材料的試驗結果如表 5 所示。

表5 廠家 2# 板材無機改性材料的試驗結果

4）對廠家 2# 板材的有機泡沫的試驗結果如表 6 所示。

表6 廠家 2# 板材有機泡沫的試驗結果

廠家 2# 板材整體的熱值結果計算如式（2）所示。

從實驗結果可以看出，廠家 1# 和廠家 2# 標稱密度為 180 kg/m3的板材的燃燒熱值均可以滿足燃燒性能 A2 級熱值的要求（≤3.0 MJ/kg），分別為 2.53 MJ/kg和 1.9 0 M J/k g。但也可看出，對于同樣是標稱密度 180 kg/m3 的板材，兩者熱值結果相差 0.63 MJ/kg，可以說明這完全是兩個獨立的結果。

為了進一步說明不同廠家相同標稱密度的板材燃燒熱值存在較大差異的問題，對比兩個廠家較低密度的板材的試驗結果的情況，選擇標準中要求燃燒性能為 A 級的 G 型改性聚苯板的最低標稱密度（140 kg/m3）。由于只搜集到一個密度為 140 kg/m3 板材樣品，而針對廠家 2# 的樣品，我們收集標稱密度為 170 kg/m3、180 kg/m3及 220 kg/m3 三種樣品，對這三種樣品均進行了組份分離并計算百分比，結果如表 7 所示。

表7 廠家 2# 三個密度板材組份含量

分別針對不同密度的板材無機改性材料及有機泡沫百分占比作圖，并添加線性趨勢線，如圖 2 所示。

圖2 廠家 2# 密度和兩個組份占比分析圖

從趨勢線的公式可以看出，兩者斜率相同，也就是說隨著密度的變化，無機改性材料和有機泡沫所占的百分比變化率相同。從公式推算，當廠家 2# 的材料標稱密度為 140 kg/m3 時，無機改性材料所占比例為（%）：0.105×140+60.717=75.42；有機泡沫所占比例（%）為：-0.105×140+39.283=24.58。針對廠家 2# 四種標稱密度的無機改性材料和有機泡沫分別進行了試驗，實驗結果如下。

無機改性材料的熱值平均值（約 20 個）：0.51 MJ/kg；

有機泡沫的熱值平均值（約 15 個）：7.61 MJ/kg；

按此推算出廠家 2# 標稱密度為 140 kg/m3 的板材燃燒熱值如式（3）所示。

推算的結果只在現有工藝生產出的產品有一定的意義。但是隨著密度的降低，有機泡沫和無機改性材料的比例并不一定會按照上述的比例線性遞增或遞減。密度越小，產品的總燃燒熱值增長的越快。所以最終的結果，如果保證增加在 25 % 之內，均可以滿足 A2 級熱值的要求。

對廠家 3# 的無機改性材料和有機泡沫組份進行試驗，試驗結果如表 8 和表 9 所示。

廠家 3# 板材整體的熱值結果如式（4）所示。

圖3 3 個廠家無機改性材料 XRD 分析

表8 廠家 3# 板材無機改性材料的試驗結果

表9 廠家 3# 板材有機泡沫的試驗結果

可以看出，不同廠家標稱密度較低的板材（140 kg/m3）燃燒性能可能存在較大的差異，并且已經關系到樣板是否合格的問題。首先，有機泡沫和無機改性材料的比例是其中一個重要因素；其次無機改性材料的成分、添加阻燃劑的成分等對燃燒性能也有較大影響。針對三個廠家的板材，有機泡沫的成分一致，均為 EPS 顆粒，從外觀上可以看出，整板分別呈現白色、灰黑色及淡橙紅色。為確定其具體成分，采用 XRD 對這三種板材的無機改性材料進行了測定，分析結果如圖 3 所示。

從對三種無機改性材料的 XRD 測試結果可以看出，白色粉料的主要成分為 BaSO4及含 Mg 化合物。BaSO4性能穩定，不易分解，在織物、皮革及部分塑料制品中作為耐燃填料使用；灰黑色粉末的主要成分為 CaCO3及含 Al 的化合物，CaCO3是常見的天然礦物建筑材料石灰石的主要成分，也可能是來自生石灰或煤灰中的 CaO 與空氣中的 CO2反應得到的最終產物，含 Al 的無機化合物，常在建筑材料中作為無機阻燃劑使用；紅色粉料的主要成分為含多種 Mg 的化合物，主要成分可能來自菱鎂礦，再添加部分無機阻燃劑。在建筑材料中，含 Mg 無機化合物具有好的耐燃效果，如玻鎂板。綜上可以看出，不同生產廠家所使用的無機改性材料完全不同，并且其主要成分在燃燒性能試驗（純氧中點燃）中提供的高溫環境下，可能會發生分解，吸熱還是放熱均不好判斷。所以從無機改性材料講，也不可單獨將密度這一指標作為改性聚苯板能否通過 A2 級的依據。

3 結語

不同生產廠家的高密度改性聚苯板的燃燒熱值存在較大的差異，且密度對 G 型板材的熱值有著較大的影響。密度越大，理論上燃燒性能 A2 級的通過率越高，而較低密度的 G 型改性聚苯板是否可以通過 A2 級的測試，考慮其有機泡沫的成分占比較大、無機改性材料成分不同，需結合材料，在建筑工程應用時，通過試驗進行測試評估，不能簡單按照密度進行燃燒性能等級的判斷，以保證建筑的防火安全。Q