保溫材料XPS燃燒性能的研究進展

魯玉鑫 楊虓熙

摘要：XPS是包覆在建筑物外壁的有機保溫材料，用于保溫或隔熱。然而，XPS極易燃燒，導致火災事故頻發(fā)。為了解XPS燃燒性能，減少火災事故，詳細介紹了XPS的引燃特性、火焰蔓延特性和熱釋然速率特性，展望了研究XPS燃燒性能的發(fā)展方向。

關鍵詞：XPS;引燃特性;火蔓延特性;熱釋放速率

擠塑聚苯乙烯（XPS）作為外保溫系統(tǒng)的核心材料，具有低電導率、質(zhì)地輕、高強度等特點，被廣泛應用于建筑領域。然而，近年來，由外墻保溫材料引起的火災事故頻發(fā)，其中有大眾熟知的中央電視臺北配樓火災和上海靜安區(qū)教師公寓火災，外墻保溫材料的安全問題成為了焦點[1]。許多學者對外墻保溫材料的火災特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)在保溫材料中XPS是最具有火災危險性的材料之一。為此，本文綜述了XPS燃燒性能的相關研究成果。

一、XPS的引燃特性

（一）引燃溫度

孟慶璇[2]等選用DW-2A型點燃溫度測定儀對XPS的點燃溫度進行測定，測得其點燃溫度約為380℃。陳建功[3]等采用同樣儀器測量，發(fā)現(xiàn)XPS的點燃溫度約為379℃。根據(jù)上述二者實驗結(jié)果，可以得出XPS的引燃溫度大約在380℃左右。然而，An W[4]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，保溫材料的熱穿透厚度隨外界熱輻射熱量的增大而減小。由此我們可以得出，點燃時當外界熱通量越大時，材料的熱穿透厚度就越小，則能熱解出來的可燃氣體就越少;然而熱量一定，可燃氣體的質(zhì)量減少，其對應的燃燒溫度就會增大，所以此時保溫材料的引燃溫度就會提升。因此，保溫材料的引燃溫度隨外界熱通量的增大而增大。

（二）點燃時間

安偉光[5]等通過實驗測得XPS的點燃時間都隨試樣厚度的增大而增長，在定量上分析是由于材料厚度較大，點燃時容易受熱收縮，從而不易產(chǎn)生火焰。為了分析點燃時間與材料厚度的關系，通過實驗數(shù)據(jù)和推導得到引燃時間的公式為

。

綜上分析，XPS在小尺寸實驗下的引燃溫度大約在380℃左右;同時，XPS的引燃溫度與熱輻射通量成正比關系;另外，XPS的引燃時間符合擬合推導公式

。

二、XPS的火焰蔓延特性

（一）寬度對XPS火焰蔓延行為的影響

柳愛靜[6]等利用小尺寸實驗研究寬度對XPS水平火蔓延行為的影響。結(jié)果表明，無風作用且XPS寬度小于4cm時，燃燒較為穩(wěn)定;若寬度增加，火焰與空氣接觸充分，則燃燒劇烈。同時還發(fā)現(xiàn)XPS樣品燃燒時預熱角（火焰貼附面與樣品的夾角）隨寬度的增加先增大后減小，從而導致火焰蔓延速率隨寬度的增加先減小后增大，拐點在寬度為8cm處。安偉光[5]等研究了在有邊墻和無邊墻工況下不同寬度的XPS豎直逆流火蔓延特性。實驗顯示，無邊墻時，XPS逆流火焰蔓延速度隨寬度的增加先減小后增大，并且火焰振蕩明顯;有邊墻時，XPS逆流火蔓延速度與樣品寬度成正比關系，火焰更貼近壁面，燃燒時柔和穩(wěn)定。

（二）厚度對XPS火焰蔓延行為的影響

黃新杰[1]等通過小尺寸實驗研究了不同厚度下XPS水平火蔓延的特征。結(jié)果表明，火蔓延速度隨厚度先增大后減小，厚度為4cm時，XPS火蔓延速度最大。研究發(fā)現(xiàn)，當XPS燃燒經(jīng)歷第一階段時，火蔓延速度主要取決于化學反應速度，與厚度成正比關系;當處于第二階段時，火蔓延速度與厚度成反比關系。然而，XPS燃燒時的平均池火長度、火焰高度、火焰?zhèn)让娣e都隨厚度的增加而增大。安偉光[5]等人研究了在有邊墻和無邊墻兩種工況下材料厚度對XPS豎直逆流火蔓延的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，處于無邊墻工況下，XPS火焰蔓延速度隨厚度的增大而增加;有邊墻時，較薄的XPS試樣的火焰蔓延速度隨時間變化慢慢減速并且有停滯的現(xiàn)象，較厚的試樣火焰蔓延速度穩(wěn)定。總之，保溫材料豎直火蔓延速度與試樣厚度符合函數(shù)：

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（三）放置角度對XPS火焰蔓延行為的影響

黃新杰[1]等研究了放置角度對XPS火蔓延特性的影響。結(jié)果表明，無論放置角度為正角還是負角，XPS火焰蔓延速度都隨放置角度的增大而增大;雖然結(jié)論一致，但是造成上述現(xiàn)象的原因各有不同：負角越大時，XPS燃燒時產(chǎn)生的熔融物易接觸到材料的未燃區(qū)域。正角越大時，預熱區(qū)長度越長，對未燃燒部分的熱輻射越大，從而火焰蔓延速度越快;同時，隨著正角的增加也會引起二次點火的現(xiàn)象，這主要是由于熔融XPS材料受到重力的影響脫離熔融區(qū)域而造成的。

（四）點火位置對XPS火焰蔓延行為的影響

胡超[7]等利用小尺寸燃燒實驗研究了XPS點火位置不同時豎直火焰的燃燒行為。選用底部位置點燃，材料不立刻燃燒;被點燃后，火焰向上的燃燒速度大于向兩側(cè)蔓延的速度，燃燒痕跡呈倒V形;同時，燃燒過程中產(chǎn)生熔滴，熔滴會長時間燃燒。選用中部位置點燃，點燃位置下方的材料很快燃燒，隨后其上方材料才會燃燒;在XPS樣品穩(wěn)定燃燒后，將點火源撤除，發(fā)現(xiàn)點火位置上方的保溫材料不久就會熄滅且燃燒痕跡呈正V形;而下方材料會猛烈燃燒，材料兩側(cè)的火焰蔓延速度大于向上的蔓延速度，燃燒痕跡呈現(xiàn)倒V形。

綜合以上分析，材料寬度和厚度的增加會導致XPS水平火焰蔓延速度先增大后減小，而豎直火焰蔓延速度持續(xù)增大，并且在無邊墻工況下XPS豎直火焰蔓延速度大于有邊墻工況下的速度;同時，材料的火蔓延速度隨著材料的放置角度的增大而增大，所以當XPS豎直貼在建筑物外墻時，火災危險性最大;另外發(fā)現(xiàn)，建筑物底部的外墻保溫材料點燃要比中部位置點燃造成的火災危險性大。

三、XPS的熱釋放速率特性

（一）微燃燒量熱儀實驗

陳應周[8]等采用微燃燒量熱儀對XPS、PU、EPS的熱釋放速率進行測量。結(jié)果表明，外墻保溫材料的熱釋放速率變化過程都明顯只有一個單峰，該峰出現(xiàn)在280s時刻處，峰值高達800W/g。與其他保溫材料相比，XPS的熱釋放速率峰值更為陡峭，并且出現(xiàn)在較高的溫度值處。

（二）錐形量熱儀實驗

安偉光[5]等分別研究了XPS不同厚度和不同輻射強度對熱釋放速率的影響，尺寸樣10cm×10cm，試樣厚度選擇為2cm、3cm、4cm、5cm。通過錐形量熱儀測試，發(fā)現(xiàn)XPS的熱釋放速率和材料厚度沒有明顯的線性關系，但是實驗得出，當XPS樣品較薄（2cm）時，只出現(xiàn)一個熱釋放速率增長峰;當XPS樣品較厚（大于2cm）時，會出現(xiàn)兩個熱釋放速率增長峰，分別出現(xiàn)在點燃后和熄滅前。這是由于XPS較薄時，第一個熱釋放速率增長峰出現(xiàn)時，材料質(zhì)量損耗極大，致使第二個增長峰不會出現(xiàn)。當XPS較厚時，在點燃材料但未燃著時，會有一定的質(zhì)量損失，并釋放一定量的熱解氣體，當點燃后，熱解氣體燃燒會產(chǎn)生第一個熱釋放速率增長峰;隨著燃燒的繼續(xù)，未燃材料表面接收到火焰和加熱錐的雙重熱流作用，質(zhì)量損失增大，會產(chǎn)生更多的熱解氣體，燃燒后會出現(xiàn)第二個熱釋放速率增長峰。同時發(fā)現(xiàn)厚度越大，出現(xiàn)熱釋放速率峰值的時間越晚，持續(xù)峰值的時間變長，并且峰值還會降低。另外，不同輻射熱流作用下XPS的熱釋放速率不同，XPS的熱釋放速率的平均值和最大值均隨輻射熱流強度的增大而增大。

張苗[9]等采用錐形量熱儀研究不同輻射強度下對各種保溫材料熱釋放速率的影響。結(jié)果表明，隨著輻射熱的增加，XPS的熱釋放速率峰值增大，點燃時間和達到峰值的時間縮短，且熱釋放速率峰值與峰值時刻點兩者呈反比例關系。相比于其他保溫材料，XPS密度高，其燃燒時產(chǎn)生的高溫熔融液層附著在表面，使其長時間處在熱釋放速率峰值處，致使XPS熱釋放速率的圖像呈正梯形狀，因此可以推斷XPS的熱危險性更大。

（三）單體燃燒試驗（SBI）試驗

王俊勝[10]等利用單體燃燒試驗（SBI）試驗對XPS等有機保溫材料的燃燒行為進行分析。實驗發(fā)現(xiàn)初期XPS的熱釋放速率曲線呈緩慢上升趨勢，在710s左右達到峰值，峰值為40kW/s，隨后曲線緩慢下降。XPS的火焰熔融會顯著影響SBI試驗過程中的燃燒增長率指數(shù)，導致XPS在SBI試驗條件下的燃燒增長率指數(shù)明顯低于錐形量熱儀試驗條件下的數(shù)值，這可能會造成對XPS的潛在火災危險性的低估。

（四）大尺寸實驗研究

崔崳[11]等采用大尺寸實驗對外墻保溫材料的火蔓延特性進行了分析。實驗的樣品尺寸為120cm×60cm×3cm，分別將其在窗口溢流火和臨近壁面火兩種工況下進行燃燒分析。在窗口溢流火工況下，由于XPS是熱塑性材料，融化是受熱初期主要的行為，伴有熔滴出現(xiàn)，實驗發(fā)現(xiàn)，融化收縮的速度隨材料密度的減小而增大;其次，實驗得出窗口越寬，火焰與避面的夾角越小，熔滴掉落前越容易與火焰接觸，從而使燃燒更加劇烈，在110s左右就出現(xiàn)熱釋放速率峰值，并且峰值為250kW/s，而窄開口溢流火相反，125s左右達到熱釋放速率峰值，峰值有所下降為175kW/s。在臨近壁面火工況下，融化同樣是在初期受熱后的主要行為，火焰沖擊角度是影響熱釋放速率的因素，火焰沖擊角度越小，火焰壁面貼附效應明顯，XPS熱釋放速率增高。

綜上所述，相同條件下，XPS尺寸和熱輻射強度越大，熱釋放速率峰值越大并且出現(xiàn)時間越早;XPS厚度越大，熱釋放速率峰值越低且出現(xiàn)時間越晚，但是處于高熱釋放速率的時間變長，會出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。然而，利用SBI試驗對XPS的燃燒行為進行研究，發(fā)現(xiàn)其熱釋放速率并沒有預期的高，可能是材料的成碳情況和火焰熔融導致的，可進一步進行探究。對于大尺度實驗而言，分別采用窗口溢流火和臨近壁面火兩種加熱形式進行研究，發(fā)現(xiàn)窗口溢流火開口寬度越大，XPS的HRR的初始熱釋放速率越大;在臨近壁面火工況下，火焰沖擊角度越小，XPS熱釋放速率增高。

五、結(jié)語

XPS作為建筑中常用的有機保溫材料，本文總結(jié)了XPS的引燃特性、火焰蔓延特性和熱釋放速率，為人們對其進行防火提供了指導意義。總體來看，XPS具有良好的保溫隔熱性，但相比其他保溫材料的缺點是燃燒過程中總熱釋放量大，火焰蔓延速度較快，成炭效果不佳，存在很大的安全隱患。所以，未來對XPS的防火和阻燃技術是值得關注的熱點。

目前建筑的外墻保溫方法有外墻內(nèi)保溫法、外墻夾心保溫法、外墻外保溫法，未來可進一步探索不同外墻保溫方式對保溫材料燃燒性能影響的研究;其次，不同的建筑形狀會對外墻保溫材料的燃燒特性產(chǎn)生影響。我國建筑設計多種多樣，部分建筑采用外墻保溫材料，未來可針對不同建筑形狀上的外墻保溫材料的燃燒進行分析;最后，雖然有很多學者研究保溫材料的燃燒性能，但是進行大尺寸實驗研究的少之又少，未來對保溫材料進行大尺度實驗從而填補數(shù)據(jù)空缺的任務迫在眉睫。

參考文獻：

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