熱膨脹型阻火材料

趙朔

摘要：介紹了被動(dòng)防火技術(shù)和相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。綜述熱膨脹防火材料的作用原理及相關(guān)防火產(chǎn)品的特性和在被動(dòng)防火工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：熱膨脹材料；阻火膠；被動(dòng)防火系統(tǒng)；熱膨脹防火產(chǎn)品

中圖分類號(hào)：TU976+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1674-3954（2013）21-0353-02

1 引言

隨著國家地產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展及改革開放的不斷深入，我國建筑及建材業(yè)的技術(shù)發(fā)展更加迅猛，建筑管道材料由過去的陶瓷、金屬制品向塑料制品發(fā)展。其中，U-PVC（硬聚氯乙烯）材料制作的管材，具有質(zhì)輕美觀不生銹、耐腐、阻力小、不結(jié)垢、壽命長、造價(jià)低和施工方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，國家產(chǎn)業(yè)政策規(guī)定要在建筑工程中大力推廣使用塑料管道，并明文規(guī)定從2010年開始，室內(nèi)給水管道將80%采用塑料管道，并且逐步淘汰鑄鐵和鍍鋅管。

U-PVC材質(zhì)的管道雖然優(yōu)點(diǎn)眾多，但其應(yīng)用卻往往會(huì)給建筑帶來火災(zāi)隱患。一旦某個(gè)房間或部位起火，U-PVC管道在達(dá)到著火溫度前受熱氣作用軟化而脫離樓板或被焚燒殆盡而露出管道孔，火焰和有毒煙霧會(huì)通過煙囪效應(yīng)迅速蔓延擴(kuò)散致整個(gè)建筑，擴(kuò)大火災(zāi)的危害性，增加撲救火災(zāi)的難度。

綜上所述，為阻止火災(zāi)發(fā)生時(shí)的災(zāi)情的蔓延擴(kuò)散，有效的把火災(zāi)損失和人員傷亡減少至最低限度，就必須要構(gòu)建被動(dòng)防火工程。

2 阻火產(chǎn)品相關(guān)的國家規(guī)定及性能測定標(biāo)準(zhǔn)

2.1 阻火產(chǎn)品相關(guān)的國家規(guī)定

有關(guān)于安裝阻火產(chǎn)品的規(guī)定，詳見國家建設(shè)部CJJ/T29-1998《建筑排水硬聚氯乙烯管道工程技術(shù)規(guī)程》，規(guī)定如下：①明敷立管管徑大于或等于110mm時(shí)，在樓板貫穿部位應(yīng)設(shè)置阻火圈或長度不小于500mm的防火套管；⑦明敷管徑大于或等于110mm的橫支管與暗設(shè)立管相連時(shí)，墻體穿越部位應(yīng)設(shè)置阻火圈或長度不小于300mm的防火套管，且防火套管的明露部分不小于200mm③橫管穿越防火分區(qū)隔墻時(shí)，管道穿越墻體的兩側(cè)應(yīng)設(shè)置阻火圈或長度不小于500mm的防火套管；④排水通氣管穿越以屋面或火災(zāi)時(shí)作為疏散人員的屋面，應(yīng)在屋面樓板底部安裝阻火圈。

（1）阻火產(chǎn)品的性能必須滿足公安部制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GAl61-1997《防火封堵材料的性能要求和試驗(yàn)方法》的要求或通過其他經(jīng)國家有關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)可的測試標(biāo)準(zhǔn)。阻火產(chǎn)品在具體的貫穿防火封堵施工中還應(yīng)具有施工方便、易于拆卸、可重復(fù)使用、對(duì)環(huán)境和電器設(shè)備無污染和良好的耐久性能等特性。

（2）阻火產(chǎn)品必須由保險(xiǎn)商試驗(yàn)室（UL）和工廠相互保險(xiǎn)組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，試驗(yàn)要按照UL1479或ASTME814的相關(guān)要求。

關(guān)于阻火圈類產(chǎn)品，同時(shí)還必須符合GA304-2001《建筑硬聚氯乙烯排水管道阻火圈》的要求。該標(biāo)準(zhǔn)為1998年制定，參考收集了美國ASTME814-88“貫穿防火封堵標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”和澳大利亞AS4072.1-1992“耐火分隔構(gòu)件洞口防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”以及國外阻火圈產(chǎn)品說明書等對(duì)于阻火圈產(chǎn)品的要求。該標(biāo)準(zhǔn)為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，其發(fā)布與實(shí)施，有效的促進(jìn)了阻火圈產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

2.2 阻火產(chǎn)品性能測定標(biāo)準(zhǔn)

膨脹率的測定：把厚度為2mm的平板試樣放在耐火陶瓷材料制成的坩堝內(nèi)，在馬福爐中加熱到預(yù)定溫度，保溫5min后停止加熱，取出冷卻的試樣，進(jìn)行厚度變化的測量，用其膨脹后的高度，計(jì)算膨脹率。

耐火時(shí)間測定：按GA161-1997 G《防火封堵材料的性能要求和試驗(yàn)方法》測定。

膨脹起始時(shí)間的測定：用制備的共混物料，直接澆鑄在鐵皮上，厚度小于2mm，放在有石棉網(wǎng)保護(hù)的調(diào)壓電爐上加熱，觀察并記錄從開始加熱到初始膨脹所經(jīng)過的時(shí)間。

氧指數(shù)測定：按照GB/T2406-93《塑料燃燒性能測試試驗(yàn)氧指數(shù)法》測定。

拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的測定：按照GB/T1040-92《塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》測試?yán)鞆?qiáng)度，按照GB1042-79《塑料彎曲試驗(yàn)方法》測定試樣破壞載荷下的彎曲強(qiáng)度。

良好的熱膨脹阻燃材料要能達(dá)：①到耐火極限為一級(jí)（大于240min），從而使各個(gè)防火區(qū)間互不影響，使火災(zāi)損失降低；②具有在燃燒過程中發(fā)煙量少、無毒、無腐蝕性氣體產(chǎn)生；③遇火會(huì)膨脹，且膨脹倍數(shù)超過原體積3～10倍，能有效膨脹封閉各種U-PVC管及電纜絕緣層等被燒毀所造成的孔洞及縫隙，在火場起到防火防煙阻止火災(zāi)蔓延的作用。

3 膨脹阻火作用原理

熱膨脹防火材料主要成分有：基質(zhì)、膨脹阻火體系、助劑及填料組成。起主要的膨脹防火作用的是其中的膨脹阻火體系，按其原理分為化學(xué)膨脹體系及物理膨脹體系。

3.1 化學(xué)膨脹體系

化學(xué)膨脹體系的構(gòu)成，一般包括：①炭化劑，質(zhì)量含量一般為5～15%。炭化劑。炭化劑是形成三維空間結(jié)構(gòu)且不易燃燒的發(fā)泡炭化物的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)泡炭化物起著骨架作用，典型的炭化劑如聚戊四醇。②脫水催化劑，質(zhì)量含量一般為15～30%。脫水催化劑在高溫時(shí)可生成無機(jī)酸，催化多羥基的炭化劑脫水形成不易燃的三維炭化物結(jié)構(gòu)，減少熱分解產(chǎn)生的可燃性焦油、醛、酮等的量，促進(jìn)發(fā)泡劑產(chǎn)生不燃性氣體。典型的脫水催化劑如聚磷酸銨，高溫下能吸熱并放出不燃性氣體NH3和H20，同時(shí)產(chǎn)生聚磷酸以催化脫水。③發(fā)泡劑，質(zhì)量含量一般為6～20%。發(fā)泡劑受熱可分解出不燃性氣體，使涂層膨脹，形成疏松多孔的發(fā)泡層，從而抑制燃燒的進(jìn)行，典型的發(fā)泡劑如三聚氰氨。

3.2 物理膨脹體系

物理膨脹體系主要是由石墨構(gòu)成，質(zhì)量含量一般為1～15%。石墨的結(jié)構(gòu)特征是兩向大分子層狀結(jié)構(gòu)，每一個(gè)平面中的碳原子連接成正六角形，無數(shù)的正六角形又連接成一個(gè)平面層。利用石墨能形成層間化合物的特性，將天然石墨經(jīng)過特殊的化學(xué)處理，使其形成某種特殊層問化合物，其內(nèi)部具有微孔和空腔，在受熱的情況下，空腔內(nèi)的空氣和微量的水分子會(huì)熱膨脹并逸出，從而形成一種輕質(zhì)的疏松物質(zhì)，膨脹倍數(shù)超過100倍。

石墨膨脹倍數(shù)大，隔熱效果好，但其膨脹物強(qiáng)度不大，在火焰吹拂下會(huì)逐漸散落，難以達(dá)到較高的耐火極限。化學(xué)膨脹阻燃體系膨脹物致密，強(qiáng)度大，但其膨脹倍數(shù)不高。主流的膨脹阻火材料皆同時(shí)含有物理膨脹體系和化學(xué)膨脹體系，能有效協(xié)同兩種作用的優(yōu)勢(shì)，提高防火密封膠膨脹倍率及機(jī)械強(qiáng)度，使之均勻致密從而提高防火密封膠的綜合耐火性能。

4 膨脹阻火產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用

膨脹阻火材料可制成各種防火產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于被動(dòng)防火工程的構(gòu)建。

4.1 膨脹型阻火密封帶

膨脹型阻火密封帶是由高度膨脹型阻火材料制成的既柔軟又有彈性的帶，可應(yīng)用于過墻管道的阻火處理。安裝方法簡便，一般就是直接在管道外纏繞一定的層數(shù)阻火密封帶。纏繞層數(shù)取決于系統(tǒng)特性，如管材的材質(zhì)及管道的直徑。如4in的U-PVC管需要纏兩層阻火帶，而3in的只需要一層。更易在高溫下軟化的聚偏氟乙烯管道比聚氯乙烯管道要纏更多層。

膨脹阻火密封帶被認(rèn)可為A級(jí)建材。選擇密封帶產(chǎn)品時(shí)，廠家觸發(fā)溫度數(shù)據(jù)最具有參考意義。在觸發(fā)溫度下，密封條開始膨脹，體積最終擴(kuò)大10倍以上。

4.2 含膨脹芯材的阻火圈

阻火圈是由金屬材料制作外殼，內(nèi)填充阻燃膨脹芯材，套在硬聚氯乙烯管道外壁，固定在樓板或墻體部位的阻火產(chǎn)品?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，其芯材受熱迅速膨脹，擠壓U-PVC管道，在較短時(shí)間內(nèi)封堵管道貫穿口，阻止火勢(shì)及毒煙沿洞口蔓延。

我國的該類阻火產(chǎn)品應(yīng)用，曾完全依靠進(jìn)口。1988年，四川省科委重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“建筑硬U-PVC排水管阻火圈的研究”開發(fā)成功，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的阻火圈產(chǎn)品。該產(chǎn)品的膨脹芯材具有優(yōu)良的耐水及耐火性，觸發(fā)溫度低，膨脹倍數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，填補(bǔ)了我國阻火圈類產(chǎn)品的空白。

阻火圈可以很好地應(yīng)用于塑料管道的阻火，但是對(duì)于因電纜以及其他管道、線路等造成的開孔則不太適用。而且，阻火圈除了可膨脹阻火材料外，還必須有金屬外套，極大地增加了成本。

4.3 膨脹型阻火膠

公安部上海消防研究所研制出WFC水基無鹵膨脹防火密封膠，由化學(xué)合成的彈性體制成，組分單一，既開既用。這是一種可直接用于封堵各種貫穿孔以及建筑夾縫的封堵材料，尤其適用于靈敏度高、填充密度大的信號(hào)電纜的過墻防火封堵。

該產(chǎn)品在火焰的作用下其體積膨脹倍率大于3，耐火極限為一級(jí)（大于240min），表干時(shí)間小于30min。與阻火圈膨脹芯材類似，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)該阻火密封膠受熱膨脹、炭化，達(dá)到阻火作用。另外，該阻火密封膠省去了金屬外套的使用，節(jié)約了成本。而且，該阻火密封膠還起到防水、密封和封堵的作用，省去了其他密封和封堵膠的使用，具有多功能的特性。

4.4 復(fù)合化學(xué)膨脹防火板

公安部上海消防研究所研制出一種新型復(fù)合化學(xué)膨脹防火板。該板第一層為牛皮紙裝飾層；第二層為化學(xué)防火彈性體層，為關(guān)鍵防火層，關(guān)鍵防火層里面包埋著二層纖維織物加強(qiáng)層；第三層為薄鋼板加強(qiáng)層。

該產(chǎn)品可適用于多種大開孔的防火封堵，包括空開口、多根電纜貫穿孔、總線槽及電纜橋架的貫穿防火封堵。相比于傳統(tǒng)封堵材料，具有安裝方便、重量輕、固定容易、方便檢修、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)干法施工等優(yōu)點(diǎn)。將其與無鹵膨脹有機(jī)防火堵料配合使用，可達(dá)到良好的封堵效果，并且縮短施工周期，降低施工成本。

5 結(jié)語

一般高層建筑的重特大火災(zāi)，各種過墻管道都是火勢(shì)及毒煙擴(kuò)散蔓延帶來重大損害的關(guān)鍵通道。應(yīng)用被動(dòng)防火技術(shù)，開發(fā)膨脹型環(huán)保無鹵阻火材料，對(duì)建筑進(jìn)行防火封堵處理，是把初起火災(zāi)控制在一定的范圍內(nèi)，最大限度降低火災(zāi)危害的關(guān)鍵。

我國膨脹型阻火材料的研發(fā)還仍處于起步階斷，主要的國內(nèi)市場仍為進(jìn)口產(chǎn)品所占據(jù)。目前，我國科研單位己開發(fā)一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的膨脹型阻火產(chǎn)品，填補(bǔ)了多項(xiàng)國內(nèi)技術(shù)空白，其防火性能己然達(dá)到國際先進(jìn)水平。隨著國家對(duì)防火安全的重視，該類產(chǎn)品將具有極大的市場空間及應(yīng)用前景。

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