淺析聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇在聚苯板燃燒性能中的應用

【摘要】由聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇配制而成的阻燃劑常被應用于鋼結構防火涂料的制備和生產中。基于聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇制備的防火涂料按一定比例涂覆于基材表面，在高溫作用下易發生膨脹和碳化現象，形成的碳化層可在一定時間內起到隔熱阻火的作用，進而提高基材抵御火源攻擊的能力。將該防火機理應用到聚苯板（XPS）的生產中，以此來改變材料原有的燃燒特性，并通過實驗驗證其對材料燃燒性能帶來的改變。

【關鍵詞】聚磷酸銨；三聚氰胺；季戊四醇；聚苯板（XPS）；燃燒性能

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.04.021

Application of Ammonium Polyphosphate， Melamine and Pentaerythritol in Combustion Performance of Polystyrene Board

BAI Richang， HUANG Mina， ZHANG Chunye， LIU Huijing， JIN Fu， CUI Wei

（Liaoning Inspection， Examination Certification Centre， Shenyang 110036， China）

Abstract： The flame retardants formed by the preparation of ammonium polyphosphate， melamine and pentaerythritol are often used in the preparation and production of fire retardant coatings for steel structures. The fireproof coating based on ammonium polyphosphate， melamine and pentaerythritol is coated on the surface of the substrate in a certain proportion， which is easy to expand and carbonize under the action of high temperature， and the carbonized layer formed can play the role of heat insulation and fire resistance in a certain time， then improving the ability of the substrate to resist fire source attack. In this study， we hope to replicate the fire extinguishing mechanism to the production of polystyrene board （XPS）， so as to change the original combustion characteristics of the material. The change of the combustion properties is verified by experiments.

Keywords： ammonium polyphosphate； melamine； pentaerythritol； polystyrene board（XPS）； combustion performance

聚苯板（XPS）是一種廣泛使用的保溫材料，因其卓越的保溫性能和經濟的出廠價格，在外墻保溫系統中得到了廣泛應用。以聚苯板（XPS）為代表的保溫裝飾材料具有易燃特性，在高溫環境和火源攻擊條件下極易被引燃，燃燒現象猛烈且迅速。通常情況下，外墻保溫系統中的聚苯板一旦被明火或高溫熱輻射引燃，將在短時間內迅速燃燒，并向周圍快速擴散，最終將一整套外墻保溫系統燃盡。在此過程中會伴隨大量的熱輻射和濃煙，燃燒滴落物不易被撲滅給消防救援帶來極大的難度。研究能夠降低保溫裝飾材料燃燒風險并提高其阻燃性能的方法，具有顯著的經濟價值和社會價值。這對于指導建筑保溫系統的設計與施工具有重要的研究意義。

1燃燒性能

建筑裝飾材料按照燃燒性能分級可分為四個等級：不燃材料（A級）、難燃材料（B1級）、可燃材料（B2級）、易燃材料（B3級）[1]。其中，以A級材料的燃燒性能為最佳。但在實際設計施工過程中考慮到材料的容重、保溫性能等因素，A級材料并不適用于所有的建筑保溫工程。隨著建筑保溫材料技術的進步，聚苯乙烯泡沫板（EPS）、擠塑聚苯乙烯板（XPS）和聚氨酯泡沫（PU）等材料，通過阻燃處理，不僅滿足了燃燒性能的標準要求，同時也保持了良好的保溫效果。在建筑施工中根據不同阻燃機理，提高聚苯板（XPS）的燃燒性能的方法主要有添加阻燃劑、無機材料復合和表面薄抹灰等。燃燒性能A級需要將聚苯板復合大量的無機材料，提高了無機材料的占比在提高材料的燃燒性能的同時也會致使材料喪失原有的保溫性能，沒有實際意義。現有的阻燃聚苯板往往采用添加阻燃劑的方式來提高材料的燃燒性能，材料燃燒性能可達到B1級，但通過實驗觀察可知，其在燃燒過程中是利用阻燃劑遇火分解的隔氧降溫特性來減緩火勢的發展，并不能有效阻斷火源熱力的傳播，僅能滿足在標準實驗環境下測定數據的穩定性，在火源作用下不能有效隔絕火勢的發展。

2阻燃機理

物質發生燃燒需要四個必要的基本條件：可燃物、氧化劑、引火源和鏈式反應自由基。根據阻燃機理為了抑制燃燒的發展和阻斷火勢的傳播，主要的阻燃方式有以下幾種。

1）隔絕材料與氧氣的接觸。該種阻燃方式在提升材料燃燒性能方面應用較為廣泛。主要是將可燃物與氧化劑進行阻隔，在一定程度上降低材料與氧氣的接觸。減緩材料遇火發生反應的強度和趨勢。市面上大量應用的ABC干粉滅火器正是利用該種阻燃機理，使得細小顆粒的干粉滅火劑附著在燃燒物表面，降低燃燒物與氧氣的接觸進而減緩火勢的發展起到滅火的效果。

2）生成惰性氣體降低可燃氣體濃度。可燃物在高溫環境下，首先是發生氣化，生成可燃性氣體進而被引火源點燃發生燃燒現象。因此，當可燃物在高溫環境下由于阻燃劑釋放的惰性氣體稀釋了可燃物周圍的可燃性氣體，降低了氧氣濃度含量，進而達到抑制燃燒發展的作用。

3）降低環境溫度。在有機保溫材料的制備過程中加入無機阻燃劑添加物（氫氧化鎂、膨脹石墨、硼酸鹽、草酸鋁等），使其附著在有機材料周圍。當材料發生燃燒時，使材料燃燒產生的溫度降低到燃燒臨界溫度以下燃燒自熄。無機阻燃劑遇熱分解后生成的金屬氧化物可覆蓋于燃燒物相表面阻擋熱傳導和熱輻射，以起到隔熱阻燃的作用。阻燃劑的受熱分解過程能吸收大量材料燃燒產生的熱量，同時產生的結晶水又能夠有效降低材料的溫度，減緩和放慢材料的燃燒過程和強度。

本研究中使用的聚磷酸銨、三聚氰胺以及季戊四醇三類物質在高溫遇火條件下可形成膨脹。防火體系中的磷酸源、氣源和炭源被廣泛應用于木質板材的阻燃處理以及防火涂料的制備中，特別是在膨脹型鋼結構防火涂料的生產中應用非常廣泛。構成膨脹型防火體系的脫水催化劑、成炭劑和發泡劑三者缺一不可。當材料遇火時高溫環境首先促使材料聚合物表面發生軟化和熔融現象，由發泡劑分解產生氣體，氣體的生成促使軟化的樹脂層發生鼓泡膨脹現象，膨脹體積逐漸增大；脫水催化劑發生分解而釋放出游離的酸（如磷酸等），與多元醇類（如季戊四醇）發生反應，使多元醇脫水成炭，起到隔熱阻火，控制火勢蔓延的特點。

3試驗驗證

本研究首次將聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇組成的膨脹型阻燃劑，改變其原有的應用場景，利用在高溫環境下的膨脹和成炭特性，采用真空吸附的生產方式將聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇替代阻燃劑添加到苯板（XPS）制備中，得到基于聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇組成的膨脹型防火保溫板。目的是在提高保溫材料的單體燃燒性能的同時起到隔熱阻火減緩火勢蔓延的作用。本研究將基于聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇組成的膨脹型防火保溫板與傳統的阻燃型苯板和未施加阻燃處理的普通苯板在同等條件下進行燃燒性能分級檢測，檢測數據分析如表1所示，單體燃燒試驗照片如圖1所示。

4試驗數據和試驗現象分析

保溫材料SBI單體燃燒試驗是基于國家標準GB/T20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗》的一種模擬墻角實體火的檢測方法。對被測材料的總熱釋放量和燃燒速率等進行量化的測定，是一種利用標定熱值的火源點燃試件并對試件進行燃燒性能分析的檢測方法[2]。

FIGRA燃燒增長速率指數是判定試件遇火燃燒發展速率的量化指標，當試件在額定時間內的熱釋放量達到閾值時開始測定，并根據分級要求可細化為FIGRA0.2 MJ和FIGRA0.4 MJ。FIGRA測定結果與試驗現象相對應是衡量試件燃燒劇烈程度的數據指標。

THR600 s總熱釋放量是計算試件在試驗過程中的總熱釋放量的數據指標。一般情況下與FIGRA成對應關系，FIGRA越大THR600 s的數值越大，代表試件的燃燒越猛烈，其產生的熱釋放量越大。

火焰橫向蔓延至試樣長翼邊緣，該項測定數據考察的是試件在火源作用下發生燃燒時其火勢蔓延情況。即使FIGRA和THR600 s均滿足GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》要求，但試件無法有效阻隔火勢的橫向蔓延，仍不能證明試件具有良好的燃燒性能。因此，筆者參照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中建筑制品保溫材料涉及單體燃燒試驗的燃燒性能的判定依據制定表2。

通過表1的試驗數據可知，在未施加阻燃處理的普通型苯板，其FIGRA0.4 MJ為470 W/s，THR600 s為27.3 MJ，并且其火焰橫向蔓延至試樣長翼邊緣，均未達到GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中對建筑裝飾材料B1級制品的要求。其中，阻燃型苯板和膨脹型防火保溫板的FIGRA0.4 MJ指標分別達到75 W和113 W，THR600 s指標分別達到6.5 MJ和3.6 MJ，均達到GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中對建筑裝飾材料B1級制品的要求。比較數據特點得知，阻燃型苯板的FIGRA0.4 MJ數據更低，而膨脹型防火保溫板的THR600 s數據更低。通過對試驗過程觀察發現，在試件燃燒試驗初始階段膨脹型防火保溫板比阻燃型苯板的短時熱釋放速率更高，燃燒現象更加顯著。但隨著試驗的推進，表面阻燃膨脹體系的建立使得熱釋放速率隨即放緩，因此試件的總熱釋放量則更低。而阻燃型苯板在整個燃燒試驗過程中發展較為均衡，隨著試件可燃性材料的燃盡，試件的燃燒現象才逐漸放緩。這也就解釋了為什么阻燃型苯板在FIGRA0.4 MJ指標更低的前提下，卻比膨脹型防火保溫板有著更高的THR600 s數據。

根據以上數據分析和試驗過程的觀察可知，本研究基于聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇制備的膨脹型防火保溫板在高溫環境下特別是實體火焰攻擊條件下，生成的防火膨脹炭化體系可以有效提高材料的燃燒性能，同時能夠極大地減緩火勢的傳播和蔓延，起到隔熱阻火的作用。本研究是對建筑裝飾保溫材料阻燃處理方式的一種新探索。

5結束語

本研究改善了傳統保溫材料防火性能差、遇火發展迅速不易撲滅等缺點，實現了對苯板、擠塑板、聚氨酯板等傳統保溫材料的改性和防火性能提升，改變了其原有的燃燒方式，達到燃燒性能要求的同時提高遇火穩定性，降低了擴散性以及蔓延性，真正意義上實現其防火性能。

【參考文獻】

[1]建筑材料及制品燃燒性能分級：GB 8624—2012[S].

[2]建筑材料或制品的單體燃燒試驗：GB/T 20284—2006[S].

【作者簡介】

白日昌，男，1985年出生，高級工程師，碩士，研究方向為建筑材料及消防器材檢測方法。

（編輯：李鈺雙）