建筑保溫材料防火性能研究

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【摘要】聚苯乙烯是一種被廣泛使用的建筑保溫材料，由于其本身具有可燃性，以聚苯乙烯為代表的有機外墻保溫隔熱材料所引起的建筑火災，已成為一類新的火災隱患廣受關注。因此，研究聚苯乙烯材料的燃燒性能并對此類材料進行阻燃處理是十分有必要的。

【關鍵詞】聚苯乙烯；建筑保溫材料；防火；阻燃

建筑節能是國家節能的重要組成部分，聚苯乙烯（PS）塑料作為建筑外墻保溫材料起到了很好的節能效果［1-3］。但由于聚苯乙烯屬于有機高分子材料，極易燃燒，并會放出大量煙霧，同時產生熔融滴落現象。近些年來，我國多次發生因建筑外墻聚苯乙烯保溫材料燃燒引發的大火，如濟南奧體中心、上海膠州教師公寓、北京央視新址附屬文化中心等火災的相繼發生，表明建筑易燃可燃外保溫材料已成為一類新的火災隱患。為了從根本上消除建筑外墻聚苯乙烯保溫材料引燃的隱患，需對聚苯乙烯進行阻燃處理，而通過添加阻燃劑對聚苯乙烯基體進行阻燃處理是一種行之有效的方式［4-6］。本文對聚苯乙烯進行膨脹阻燃，并在膨脹阻燃體系的基礎上分別加入不同的協效劑，分析兩者協效阻燃聚苯乙烯時其性能的變化，以期為IFR在PS阻燃中的應用提供可靠依據。

1.阻燃性實驗

1.1實驗材料

聚苯乙烯（PS）、聚磷酸銨（APP）、季戊四醇（PER）、硼酸鋅（ZB）、氧化鋅（ZnO）。

1.2膨脹阻燃聚苯乙烯的制備

實驗前先把所需的材料放在70℃的恒溫干燥箱中干燥15h以上。然后將PS置于密煉機中加熱，設置轉速80r/min，溫度170℃，接著按表1給出的配方表，按比例稱量所需APP、PER、ZB和ZnO，放入密煉機中與先期加熱的PS進行熔融共混，混合20min，停機后將混料取出。最后，采用平板硫化機將密煉所得的材料在190℃下模壓成型，制得100mm×100mm×3mm和100mm×6.5mm×3mm的標準試樣。

1.3測試

（1）氧指數（LOI）測試。采用HC-2型號的氧指數測試儀，按照ASTMD2863標準來采集PS復合材料的LOI值。（2）垂直燃燒（UL-94）測試。采用CZF-3型號的垂直燃燒測試儀，按照UL-94標準對PS復合材料進行測試。（3）錐形量熱儀（CONE）測試。采用Standard型錐形量熱儀，按照ISO5660標準進行火災燃燒性能測試，熱輻射強度為35kW/m2。

2.實驗結果與分析

2.1氧指數

表2給出了LOI和UL-94測試結果。由表2可知，PS0的LOI僅為18，極易燃燒。而PS1、PS2和PS3的LOI都有顯著提高，與純樣相比，分別提高了25%、44%和56%。值得注意的是，添加APP/PER/ZB的PS2和APP/PER/ZnO的PS3的LOI高于僅添加IFR的PS1，可見ZB或ZnO在膨脹阻燃PS中與IFR起到了協效阻燃作用，進一步地提高了PS基體的阻燃性能。UL-94測試結果顯示所有樣品均未通過級別測試，但相對于純樣PS0的燃燒速率迅猛并冒出大量煙霧，且有嚴重滴落現象，添加有阻燃劑的PS1、PS2和PS3在燃燒時無熔融滴落產生，燃燒速率相對緩慢且煙氣濃度有所降低。

2.2錐形量熱儀

2.2.1熱釋放速率熱釋放速率（HRR）和熱釋放總量（THR）是評價材料熱危險性的重要參數，同時熱釋放速率峰值（PHRR）對于預測材料在真實火災場景的火勢具有重要意義［7-8］。圖1為4組樣品的熱釋放速率曲線。表3為各樣品的燃燒參數值。結合圖表可知，PS0在點燃之后燃燒很迅速，HRR急劇上升，有較高的PHRR值，當在PS中添加阻燃劑后，PS1、PS2、和PS3的HRR曲線都大幅度降低，PHRR都顯著降低，且總的燃燒時間都有所延長。同時THR曲線也大幅度降低，更加緩慢地趨于平衡。未添加任何阻燃劑的PS0的PHRR和THR分別為922kW/m2和90MJ/m2，比其他樣品皆高。當加入20%總重的膨脹阻燃劑（SPP/PER）后，PS1的PHRR和THR分別降至454kW/m2和70MJ/m2，分別降低了51%和30%，釋熱特性得到了顯著的改善，這與IFR受熱脫水、催化成炭、良好分散的阻燃作用有關。在阻燃劑添加總量保持在30%總重的情況下，再加入ZB或ZnO后，PS2的PHRR和THR相比于PS0，分別降低了60%和40%，而PS3分別降低了61%和44%，可見ZB或ZnO與IFR在阻燃PS過程中具有協效作用，能抑制基體的降解過程，減少熱釋放，更好地發揮阻燃作用，進一步地改善了樣品的釋熱特性，其中氧化鋅的復配效果要好于硼酸鋅。火災性能指數FPI=TTI/PHRR，可以很好地表征材料在火災中的潛在危險性；火災增長指數FGI=PHRR/T，則反映出材料著火后火災蔓延情況。通常情況下，材料如具有較高安全等級則需要滿足高火災性能指數和低火災增長指數2個條件［9］。經計算可得4組樣品的FPI和FGI數值，見表3。綜合火災性能指數和火災增長指數，可知PS3的火災危險性最小，PS2次之，再次說明ZB或ZnO與IFR在PS基體中可發揮較好的協效阻燃作用。2.2.2煙釋放速率煙釋放速率（SPR）和煙釋放總量（TSP）是評價材料煙危險性的重要參數［9］。圖2、圖3分別為4組樣品的煙釋放速率和煙釋放總量曲線。由圖可知，PS0基本保持著很高的釋煙率和總釋煙量，而添加阻燃劑的PS1、PS2和PS3釋煙率和總釋煙量均有所降低。未添加任何阻燃劑的PS0的PSPR和TSR分別為0.161m2/s和31m2，比其他樣品皆高。當加入30%總重的膨脹阻燃劑（SPP/PER）后，PS1的PSPR和TSR分別降至0.143m2/s和28m2，分別降低了11%和9%。而在阻燃劑添加總量保持在30%總重的情況下，再加入ZB或ZnO后，PS2的PSPR和TSR分別降至0.134m2/s和26m2，相比于PS0均降低了16%；PS3的PSPR和TSR分別降至0.126m2/s和24m2，均降低了22%。綜合以上結果可知，ZB或ZnO與IFR在阻燃PS過程中具有協效作用，兩者協效同時捕捉火焰自由基，中斷燃燒的鏈反應，從而降低了聚苯乙烯內部分子轉化為有機揮發物和懸浮顆粒，這是煙霧顆粒的主要來源。2.2.3CO釋放速率CO是煙氣中主要毒性氣體，在實際火災中毒性氣體釋放速率對人員危害的影響最大，因此CO釋放速率也是衡量材料煙危險性的重要參數［10-12］。4組樣品的CO釋放速率曲線如圖4所示。由圖可知，PS0燃燒時，50s時CO釋放速率開始激增，100s時速率達到峰值，結合圖1，此時對應熱釋放速率曲線HRR正在上升初始階段，說明PS0在燃燒初始階段燃燒不完全，釋放出大量CO氣體，隨后CO濃度下降，燃燒完全。PS1、PS2和PS3的CO釋放速率曲線較PS0有所下降，同時CO釋放速率峰值均有所減少，而且在100~250s間有一段相對平緩的平臺期，這表明阻燃劑的加入延緩了PS熱解過程，使體系分解過程產生的可燃氣體小分子量減少。值得注意的是，加入ZnO與IFR協效阻燃劑體系的PS3，相比僅添加IFR的PS1，CO釋放速率及其峰值進一步地降低，說明了ZnO與IFR在阻燃聚苯乙烯過程中具有最佳協效作用，由于它們在加熱過程中裂解產物發生了一些物理和化學作用，形成了更加致密的膨脹炭層，抑制了氣體和熱量的轉移，延緩了燃燒反應。

3.結論

綜上所述，相較于聚苯乙烯純樣，摻加阻燃劑的三個樣品的阻燃性能有顯著提高。PS3樣品，即70%聚苯乙烯+28%膨脹阻燃劑（APP∶PER=3∶1）+2%氧化鋅的阻燃性能最佳，能夠有效控制溫度的急速上升、煙氣毒性和大量煙氣的釋放。在火災現場中，此種建筑保溫材料可降低火災危險性。

作者：陳基 單位：中國建筑東北設計研究院有限公司