多因素對(duì)改性聚苯板燃燒熱值試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

張屹東，朱春玲

（1.建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101119；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

GB 50016－2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》［1］的發(fā)布實(shí)施，補(bǔ)充了對(duì)建筑保溫系統(tǒng)的防火要求，對(duì)“建筑保溫材料的燃燒性能”提出了嚴(yán)格的限制條件，要求采用燃燒性能為 A 級(jí)的保溫材料。

熱固復(fù)合聚苯乙烯泡沫保溫板（以下簡(jiǎn)稱“改性聚苯板”）作為此背景下的研發(fā)產(chǎn)品，在工程的保溫設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且針對(duì)改性聚苯板的物理性能、保溫性能、力學(xué)性能等均有一定的研究［2-9］。改性聚苯板采用阻燃型聚苯乙烯泡沫顆粒或板材為保溫基體，添加一種或多種改性材料，通過(guò)顆粒包裹、粒料混合或基板滲透等工藝制成的復(fù)合保溫板［10］。其實(shí)質(zhì)為有機(jī)聚苯乙烯泡沫顆粒與無(wú)機(jī)漿料通過(guò)一些特殊工藝制備而成的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合保溫板。當(dāng)兩者的配合比達(dá)到一定的限值時(shí)，改性聚苯板的燃燒性能等級(jí)可以達(dá)到A（A 2）級(jí)。

在 GB 8624－2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》［11］對(duì)平板狀制品進(jìn)行 A2 級(jí)判定中，燃燒熱值和單體燃燒試驗(yàn)（SBI）結(jié)果作為比較常用的判定方法。筆者在對(duì)不同廠家產(chǎn)品的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的改性聚苯板已經(jīng)達(dá)到了“準(zhǔn)不燃”的效果，撤火自熄。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，改性聚苯板通過(guò) SBI 試驗(yàn)指標(biāo)要求較容易，而在燃燒熱值試驗(yàn)中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)往往出現(xiàn)不均勻、不穩(wěn)定的現(xiàn)象。首先，這與材料本身有直接的關(guān)系，生產(chǎn)過(guò)程中有機(jī)-無(wú)機(jī)材料混合不均勻，每次試驗(yàn)時(shí)有機(jī)、無(wú)機(jī)材料的比例很難達(dá)到完全一致；其次，按照現(xiàn)行的熱值試驗(yàn)方法 GB/T 14402－2007《建筑材料及制品的燃燒性能燃燒熱值的測(cè)定》［12］（以下簡(jiǎn)稱“GB/T 14402－2007”）進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)多采用坩堝法，試驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)所謂的“炸鍋”現(xiàn)象，添加物（苯甲酸）未完全燃燒就被濺出，試驗(yàn)后彈筒中仍會(huì)殘留未燃燒的樣品，這也是導(dǎo)致數(shù)據(jù)不均勻的另一個(gè)重要原因。有研究提出通過(guò)增高坩堝的高度、不在彈筒中添加蒸餾水（吸收燃燒產(chǎn)生的酸性氣體）等方法對(duì)改性聚苯板進(jìn)行熱值試驗(yàn)，這些改進(jìn)均破壞了氧彈燃燒試驗(yàn)時(shí)的吸熱-放熱環(huán)境，得到的數(shù)據(jù)也不一定準(zhǔn)確［13］。基于此，本研究首先提出針對(duì)此類材料采用將有機(jī)-無(wú)機(jī)材料分離的方法，對(duì)有機(jī)、無(wú)機(jī)材料分別進(jìn)行試驗(yàn)，后續(xù)再整體計(jì)算的思路，解決上述試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，在試驗(yàn)中得到了很好的應(yīng)用，也保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

在日常測(cè)試及實(shí)驗(yàn)室間的比對(duì)中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)同一種材料，不同的設(shè)備、人員、材料廠家、取樣位置等因素不同，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，這也給判定材料是否合格帶來(lái)了困難。因此，本研究在提出了試驗(yàn)方法及詳細(xì)的試驗(yàn)操作細(xì)則的基礎(chǔ)上，討論設(shè)備因素、人員因素及廠家因素等多方面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的影響，試驗(yàn)結(jié)果可供今后實(shí)驗(yàn)室內(nèi)、各實(shí)驗(yàn)室間的數(shù)據(jù)比對(duì)、偏差分析等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)方法描述

采用機(jī)械手段，對(duì)改性聚苯板中的聚苯乙烯泡沫和改性材料進(jìn)行分離，具體操作及試驗(yàn)流程如圖 1 所示。分離出的無(wú)機(jī)改性材料，依舊采用坩堝法+苯甲酸進(jìn)行試驗(yàn)；而鑒于聚苯乙烯泡沫質(zhì)量輕，在試驗(yàn)充氧過(guò)程中會(huì)將樣品吹入彈筒中影響試驗(yàn)結(jié)果，所以對(duì)有機(jī)泡沫采用香煙法進(jìn)行試驗(yàn)，不添加苯甲酸，這也很好地解決了苯甲酸未燃燒完全就被濺出的問(wèn)題。

圖1 改性聚苯板有機(jī)-無(wú)機(jī)組份分離及試驗(yàn)流程圖

本實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，提出了較為細(xì)致的操作細(xì)則，如天平的稱量、室內(nèi)外環(huán)境等因素的影響、彈筒的清洗、取樣的位置等。在本試驗(yàn)中，完全按照標(biāo)準(zhǔn)和操作細(xì)則完成，不再討論這些因素對(duì)結(jié)果的影響。

1.2 各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備對(duì)結(jié)果的影響

對(duì)同一試驗(yàn)人員采用兩臺(tái)不同生產(chǎn)廠家的氧彈量熱計(jì)對(duì)同一樣品進(jìn)行測(cè)試，來(lái)討論不同儀器設(shè)備對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。采用的兩臺(tái)氧彈量熱計(jì)分別為長(zhǎng)沙奔特儀器有限公司生產(chǎn)的 WGR-1 型（1#）及長(zhǎng)沙瑞方能源科技有限公司生產(chǎn)的 RF-C7000P 型（2#）。根據(jù) GB/T14402－2007 中 7.2 節(jié)的要求對(duì)兩臺(tái)氧彈量熱計(jì)的熱容量重新進(jìn)行校準(zhǔn)，采用苯甲酸作為校準(zhǔn)物，其標(biāo)準(zhǔn)熱值為 26 480 J/g，每次標(biāo)準(zhǔn)樣的質(zhì)量約 0.5 g，分別進(jìn)行 5 次試驗(yàn)。以 5 次標(biāo)定結(jié)果的平均值代表儀器的熱容量，每次結(jié)果的偏差不得超過(guò) 0.2 %，兩臺(tái)儀器熱容量的校準(zhǔn)結(jié)果如表 1 所示。

表1 兩臺(tái)儀器熱容量的校準(zhǔn)結(jié)果

取同一樣品分別采用上述兩臺(tái)已校準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，所選的樣品信息如表 2 所示。

表2 樣品信息

從試件的芯部取一塊樣品約 20 g，按照組份分離的方法試驗(yàn)，記錄取樣質(zhì)量及分離后各組份質(zhì)量及計(jì)算的質(zhì)量比，按照質(zhì)量比將分離后的無(wú)機(jī)改性材料和聚苯乙烯泡沫大致分成兩份，分別采用 1#、2# 設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，信息如表 3 所示。

表3 組份分離結(jié)果

采用兩臺(tái)設(shè)備對(duì)無(wú)機(jī)改性材料的測(cè)試結(jié)果如表 4 所示，添加物為苯甲酸（標(biāo)準(zhǔn)熱值為 26 480 J/g），點(diǎn)火絲熱值為 3 140 J/g。

表4 兩臺(tái)設(shè)備對(duì)無(wú)機(jī)改性材料的測(cè)試結(jié)果

對(duì)聚苯乙烯泡沫的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 5 所示，其中試驗(yàn)用香煙紙的熱值為 15.05 MJ/kg。

表5 兩臺(tái)設(shè)備對(duì)聚苯乙烯泡沫的測(cè)試結(jié)果

對(duì)于設(shè)備 1#，按公式計(jì)算樣品的總?cè)紵裏嶂担?/p>

Q=0.48×0.838+7.59×0.162=1.63 MJ/kg

對(duì)于設(shè)備 2#，按公式計(jì)算樣品的總?cè)紵裏嶂担?/p>

Q=0.42×0.838+7.45×0.162=1.56 MJ/kg

通過(guò)兩臺(tái)設(shè)備對(duì)同一樣品的測(cè)試結(jié)果可以看出，1# 設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果為 1.63 MJ/kg，2# 設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果為1.56 MJ/kg，結(jié)果偏差 0.07 MJ/kg，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的偏差 0.2 MJ/kg，兩個(gè)結(jié)果均可以滿足 A2 級(jí)對(duì)熱值的要求（≤3.0 MJ/kg）。所以不同的設(shè)備對(duì)樣品測(cè)試結(jié)果影響可以忽略不計(jì)，但必須要求的是，如果進(jìn)行設(shè)備對(duì)比之前，必須將設(shè)備的熱容量重新進(jìn)行校準(zhǔn)，并且滿足偏差的要求。

1.2.2 試驗(yàn)人員對(duì)結(jié)果的影響

本次對(duì)比針對(duì)不同試驗(yàn)人員，采用同一臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)同一樣品進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)人員均可獨(dú)立按照標(biāo)準(zhǔn)完成試驗(yàn)，除了解 GB/T 14402－2007 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)步驟外，還需學(xué)習(xí)試驗(yàn)室針對(duì)氧彈試驗(yàn)的操作細(xì)則，其中規(guī)定了操作的細(xì)節(jié)，如：試驗(yàn)環(huán)境、稱量、試驗(yàn)后彈筒清洗等控制。采用1#設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，其熱容量為 9 504.5 J/K。同樣，采用與之前相同批次的香煙紙，苯甲酸及點(diǎn)火絲等。板材采用某廠家提供的密度較低的聚合聚苯板（標(biāo)稱密度約 80 kg/m3），之所以選擇低密度板材，原因有兩個(gè)：第一，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) JG/T 536－2017《熱固復(fù)合聚苯乙烯泡沫保溫板》中，對(duì)中密度（50～140 kg/m3）板材的燃燒性能未進(jìn)行規(guī)定，通過(guò)燃燒熱值初步判斷一下其性能；第二，某檢測(cè)報(bào)告顯示，此產(chǎn)品可以通過(guò)燃燒性能 A2 級(jí)的要求，通過(guò)試驗(yàn)，進(jìn)一步進(jìn)行校驗(yàn)，并說(shuō)明對(duì)于已校準(zhǔn)的儀器，不同的操作人員對(duì)結(jié)果是否會(huì)有很大影響。其板材的基本信息如表 6 所示。

表6 樣品信息

從試件的芯部取一塊樣品約 16 g，按照組份分離的方法試驗(yàn)，記錄取樣質(zhì)量及分離后各組份質(zhì)量及計(jì)算的質(zhì)量比，按照質(zhì)量比將分離后的無(wú)機(jī)改性材料和聚苯乙烯泡沫大致分成兩份，分別提供給 1#、2# 試驗(yàn)人員進(jìn)行試驗(yàn)，信息如表 7 所示。

表7 組份分離結(jié)果

兩位試驗(yàn)人員獨(dú)立操作，得到的無(wú)機(jī)改性材料及聚苯乙烯泡沫的試驗(yàn)結(jié)果如表 8 和表 9 所示。

表8 兩位試驗(yàn)人員對(duì)無(wú)機(jī)改性材料的測(cè)試結(jié)果

表9 兩位試驗(yàn)人員對(duì)對(duì)聚苯乙烯泡沫的測(cè)試結(jié)果

1# 試驗(yàn)人員，按公式計(jì)算樣品的總?cè)紵裏嶂担?/p>

Q=-0.30×0.673+26.05×0.327=8.32 MJ/kg

2# 試驗(yàn)人員，按公式計(jì)算樣品的總?cè)紵裏嶂担?/p>

Q=-0.27×0.673+25.67×0.327=8.21 MJ/kg

通過(guò)采用同一設(shè)備對(duì)同一樣品的測(cè)試結(jié)果可以看出，1# 試驗(yàn)人員的試驗(yàn)結(jié)果為 8.32 MJ/kg，2# 試驗(yàn)人員的試驗(yàn)結(jié)果為 8.21 MJ/kg，結(jié)果偏差 0.11 MJ/kg，此偏差對(duì)于較高熱值的樣品，試驗(yàn)結(jié)果可認(rèn)為是平行結(jié)果，從此說(shuō)明不同的操作人員對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不大。但需提前進(jìn)行規(guī)定，包括對(duì)標(biāo)準(zhǔn)步驟的熟悉及對(duì)此試驗(yàn)細(xì)則必須充分掌握，并熟記于心。在日常的研究試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)外環(huán)境的變動(dòng)（比如晴天和陰天導(dǎo)致室內(nèi)微環(huán)境的變化）、天平預(yù)熱時(shí)間及穩(wěn)定性會(huì)對(duì)稱量結(jié)果產(chǎn)生影響、洗滌彈筒時(shí)采用溫水及冷水對(duì)后續(xù)的結(jié)果均會(huì)有一定的影響等，所以不同的試驗(yàn)人員必須嚴(yán)格按照操作細(xì)則來(lái)完成試驗(yàn)，才可以降低人員造成的試驗(yàn)誤差。

從這兩個(gè)結(jié)果還可以看出，8.32 MJ/kg 和 8.21 MJ/kg結(jié)果均不能滿足 A2 級(jí)對(duì)熱值的要求（≤3.0 MJ/kg），并且相差比較多。由于本次試驗(yàn)采用樣板的密度為 83 kg/m3，從樣板的成型工藝上看，無(wú)機(jī)改性材料相對(duì)較少，泡沫所占比例相對(duì)較大，且無(wú)機(jī)改性材料未包覆泡沫表面。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，分離出的泡沫顆粒熱值較大，最終導(dǎo)致樣板整體的熱值較大。所以較低密度的改性聚苯板的熱值是限制其通過(guò)燃燒性能 A2 級(jí)的重要因素，如何保證密度較低，仍可以通過(guò) A2 級(jí)熱值要求，是一個(gè)重要的研究課題，這也是 JG/T 536－2017《熱固復(fù)合聚苯乙烯泡沫保溫板》也未對(duì)標(biāo)稱密度在 50～140 kg/m3范圍內(nèi)的樣品的燃燒性能進(jìn)行說(shuō)明的原因。

1.2.3 不同廠家同一標(biāo)稱密度對(duì)結(jié)果的影響

本次對(duì)比針對(duì)不同生產(chǎn)廠家標(biāo)稱密度相同的板材進(jìn)行試驗(yàn)，采用同一臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備（1#）進(jìn)行。挑選不同廠家兩種標(biāo)稱密度（180 kg/m3和 140 kg/m3）的板材進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)。儀器熱容量為 9 504.5 J/K，采用與之前相同批次的香煙紙，苯甲酸及點(diǎn)火絲等。對(duì)標(biāo)稱密度為板材 180 kg/m3的板材（測(cè)量密度分別為 186.4 kg/m3和 182.2 kg/m3），其熱值測(cè)試結(jié)果分別為 2.53 MJ/kg和 1.90 MJ/kg，均可以滿足燃燒性能 A2 級(jí)熱值的要求（≤3.0MJ/kg），但也可看出，對(duì)于同樣是標(biāo)稱密度 180 kg/m3的板材，兩者熱值結(jié)果相差 0.63 MJ/kg，可以說(shuō)明這完全是兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)果。在此討論一下標(biāo)稱密度為 140 kg/m3的試驗(yàn)結(jié)果，其板材的基本信息如表 10 所示。

表10 樣品信息

從兩組試件的芯部各取一塊樣品，按照組份分離的方法試驗(yàn)，記錄取樣質(zhì)量及分離后各組份質(zhì)量及計(jì)算的質(zhì)量比，兩個(gè)廠家板材分離結(jié)果如表 11 所示。

表11 組份分離結(jié)果

對(duì)得到的無(wú)機(jī)改性材料及聚苯乙烯泡沫的分別進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 12 和表 13。

表12 兩個(gè)生產(chǎn)廠家無(wú)機(jī)改性材料的測(cè)試結(jié)果

表13 兩個(gè)生產(chǎn)廠家聚苯乙烯泡沫的測(cè)試結(jié)果

從無(wú)機(jī)改性材料及聚苯乙烯泡沫熱值測(cè)試結(jié)果看，兩個(gè)廠家不同組份的熱值相差較大。對(duì)其整體熱值進(jìn)行計(jì)算如下。

1# 廠家板材，按公式計(jì)算樣品的總?cè)紵裏嶂担?/p>

Q=0.51×0.754+7.61×0.246=2.26 MJ/kg

2# 廠家板材，按公式計(jì)算樣品的總?cè)紵裏嶂担?/p>

Q=-0.29×0.668+16.07×0.332=5.14 MJ/kg

從結(jié)果看，標(biāo)稱密度為 140 kg/m3的不同廠家板材整體熱值差別較大，并且可看出，1# 廠家板材可通過(guò)燃燒性能 A2 級(jí)對(duì)熱值的要求（≤3.0 MJ/kg），但 2# 廠家板材不能通過(guò)。從組份組成的比例上看，2# 廠家聚苯乙烯泡沫占比較大；從熱值結(jié)果上看，無(wú)機(jī)組份明顯不同，取兩個(gè)廠家的無(wú)機(jī)組份進(jìn)行 X 射線衍射（XRD）試驗(yàn)，廠家1#主要成分為碳酸鈣（CaCO3），而廠家 2# 主要成分為含鎂系的無(wú)機(jī)改性材料；從產(chǎn)品的施工工藝上看，1# 板材無(wú)機(jī)組份包裹聚苯泡沫顆粒表面（顆粒包裹型），而 2# 板材表面無(wú)明顯包裹，無(wú)機(jī)改性材料通過(guò)基板滲透形成最終的板材成品，這也是導(dǎo)致有機(jī)泡沫組份熱值差別的原因。綜合來(lái)講，不同廠家板材的生產(chǎn)工藝、組份材料、材料比例均會(huì)有明顯的不同，尤其對(duì)于較低密度（標(biāo)稱 140 kg/m3左右）的板材，在檢測(cè)及工程應(yīng)用中需要謹(jǐn)慎對(duì)待，不可將密度作為判定其燃燒性能的唯一依據(jù)。

2 結(jié)論

1）改進(jìn)針對(duì)此類材料的燃燒熱值試驗(yàn)方法，采用組份分離的手段，分別試驗(yàn)并計(jì)算總熱值，數(shù)據(jù)結(jié)果更為準(zhǔn)確，避免了因組份不均導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差大的問(wèn)題。

2）討論了不同設(shè)備、不同試驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，結(jié)果表明，在設(shè)備準(zhǔn)確校準(zhǔn)、試驗(yàn)人員遵守標(biāo)準(zhǔn)及操作細(xì)則要求，其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果均無(wú)影響。在不同實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中，不需考慮此因素。

3）不同生產(chǎn)廠家、不同密度的板材對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響，尤其是低密度的板材，可能導(dǎo)致材料能否通過(guò)燃燒性能 A2 級(jí)的判定。因此，密度不可作為判定燃燒性能是否符合的要求的唯一主觀因素。Q