典型外墻保溫材料火災(zāi)特性的微燃燒量熱儀實(shí)驗(yàn)研究

●陳應(yīng)周

(廈門(mén)市消防支隊(duì)，福建廈門(mén) 361012)

全球氣候變化與溫度升高引起了人們廣泛關(guān)注，節(jié)能減排成了全人類的共同挑戰(zhàn)［1－4］。對(duì)于建筑節(jié)能來(lái)說(shuō)，在建筑外墻布設(shè)輕便、隔熱且耐候性能好的保溫材料是一種重要的節(jié)能減排方法，然而中央電視臺(tái)北配樓火災(zāi)［5］和上海靜安區(qū)教師公寓火災(zāi)［6］導(dǎo)致的悲劇，給人們敲響了警鐘，即這些保溫材料在帶給人們節(jié)能便利的同時(shí)，也給人們的家居、辦公及公共場(chǎng)所外壁包覆了一層快速燃燒的可燃物，帶來(lái)火災(zāi)威脅。為此，針對(duì)建筑外墻保溫材料的火災(zāi)性能，前人開(kāi)展了一定的研究［7－11］，這些研究為實(shí)際建筑外墻保溫材料的選型與設(shè)計(jì)，提供了一定的指導(dǎo)依據(jù)。然而，建筑材料典型火災(zāi)參數(shù)的測(cè)量，若能夠避免材料外形等尺度因素的影響，則對(duì)于深入分析與對(duì)比不同材料的燃燒性能具有重要的指導(dǎo)意義。本文基于微燃燒量熱儀(Microscale Combustion Calorimeter，以下簡(jiǎn)稱MCC)，僅用毫克量級(jí)的材料，對(duì)其燃燒性能進(jìn)行對(duì)比研究，從而為我國(guó)建筑外墻保溫材料的選型與具體設(shè)計(jì)，提供科學(xué)的指導(dǎo)。

MCC是為了提高典型材料燃燒特性的測(cè)試精度及其可對(duì)比性而發(fā)展的一種新興測(cè)試儀器，主要利用熱分析手段來(lái)精確檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)燃燒時(shí)的各典型火災(zāi)參數(shù)。它的主要優(yōu)點(diǎn)在于僅僅需要若干毫克的試樣，對(duì)其進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可排除燃燒釋熱過(guò)程引起的一些物理因素的影響，測(cè)量過(guò)程中通過(guò)計(jì)算機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)精確溫度和氣流量的調(diào)節(jié)，因此可在短短數(shù)分鐘內(nèi)對(duì)其火災(zāi)特性進(jìn)行快速測(cè)量，以便于各類材料火災(zāi)特性的對(duì)比與分析。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

通過(guò)對(duì)當(dāng)前建筑外墻所用保溫材料的調(diào)研與分析，本文選取目前我國(guó)普遍采用的3種保溫材料，即XPS、EPS和PU，首先對(duì)未添加阻燃劑的這3類保溫材料，基于MCC實(shí)驗(yàn)儀，對(duì)其典型火災(zāi)特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。此外，為了對(duì)比分析建筑保溫材料中添加阻燃材料之后對(duì)其燃燒性能的影響，選取PU作為研究對(duì)象，將經(jīng)過(guò)鹵素阻燃的PU材料與未經(jīng)過(guò)阻燃處理的PU材料，基于MCC實(shí)驗(yàn)儀，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。

2 結(jié)果與討論

基于MCC實(shí)驗(yàn)儀，針對(duì)上文所選的4種建筑外墻保溫材料，對(duì)其典型火災(zāi)特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，這里設(shè)定的MCC測(cè)試條件為:升溫速率60℃·min－1，氣流通量 103 mL·min－1。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的火災(zāi)特性參數(shù)主要包括:燃燒組成值、熱釋放速率、總熱釋放量、點(diǎn)燃溫度。

2.1 熱釋放速率曲線分析

圖1給出了3種未經(jīng)阻燃的典型外墻保溫材料受熱燃燒過(guò)程中的熱釋放速率變化曲線，由圖可見(jiàn)，所選3種外墻保溫材料受熱后生成的熱釋放速率變化過(guò)程都顯著表現(xiàn)為僅有單一峰值，即這3種材料均只有一個(gè)顯著的迅速釋熱過(guò)程。其中，XPS和EPS盡管加工生產(chǎn)工藝存在不同，然而由于其組成成分相同(均為PS)，因而其燃燒特性也較為相似。如圖1所示，XPS和EPS受熱后均顯示出一個(gè)很陡的釋熱峰，而與XPS相比，EPS保溫材料的熱釋放速率峰值更早到達(dá)，即在較低的溫度值達(dá)到其熱釋放速率峰值。而與XPS、EPS相比，PU材料在熱解燃燒過(guò)程中所表現(xiàn)出的釋熱過(guò)程則明顯緩和，盡管PU材料到達(dá)熱釋放速率峰值的時(shí)間也較早，與EPS材料熱釋放速率峰值所到達(dá)時(shí)間相近，然而，其熱釋放速率峰值比2種PS材料的熱釋放速率峰值顯著較小，可見(jiàn)，這里所針對(duì)的3種未經(jīng)阻燃處理的典型保溫材料，PU材料在熱解燃燒過(guò)程中所釋放的熱量小得多，即在釋熱速率大小方面，PU體現(xiàn)出較好的火災(zāi)安全性。

圖1 材料受熱過(guò)程中熱釋放速率

圖2給出了經(jīng)過(guò)鹵素阻燃處理與未經(jīng)阻燃處理的PU材料在MCC實(shí)驗(yàn)中的熱釋放速率對(duì)比，由圖2可見(jiàn)，兩條熱釋放速率曲線的形狀類似，但是，與未經(jīng)阻燃處理的PU材料的熱釋放速率峰值相比，經(jīng)過(guò)鹵素阻燃的PU材料的熱釋放速率峰值明顯較小，可見(jiàn)，鹵素阻燃對(duì)于降低保溫材料受熱過(guò)程中的釋熱大小具有顯著作用，也體現(xiàn)了其釋熱方面的安全性。

2.2 氧濃度曲線分析

圖2 鹵素阻燃與未阻燃處理的PU材料受熱過(guò)程中熱釋放速率

圖3給出了3種典型建筑保溫材料受熱燃燒過(guò)程中氣流內(nèi)氧氣濃度的變化過(guò)程，由圖3可見(jiàn)，熱解過(guò)程中消耗氧氣量由少到多的次序?yàn)?PU、EPS和XPS，即PU材料在受熱過(guò)程中，發(fā)生的氧化釋熱過(guò)程相對(duì)較不劇烈，釋熱和耗氧量均較少;而XPS則反之，因此，XPS在火災(zāi)條件下的危險(xiǎn)性應(yīng)更大些。圖4給出了進(jìn)行鹵素阻燃和未經(jīng)阻燃處理的PU材料熱解燃燒過(guò)程中消耗氧氣速率的對(duì)比，由圖可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)阻燃處理的PU材料熱解過(guò)程中消耗氧氣速率較小，而兩種材料在熱解燃燒過(guò)程中達(dá)到氧氣消耗峰值的時(shí)刻則相近。

圖3 材料熱解過(guò)程中的氧濃度

圖4 鹵素阻燃與未阻燃PU保溫材料熱解過(guò)程中的氧濃度

2.3 火災(zāi)特性參數(shù)分析

為了對(duì)上述材料的典型火災(zāi)特性參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步清晰對(duì)比，表1給出了上述典型建筑保溫材料的主要火災(zāi)特性參數(shù)。由表中各參數(shù)值可見(jiàn)，對(duì)于2種PS材料，其燃燒組成值、熱釋放速率峰值、總熱釋放量和點(diǎn)燃溫度均很接近，這表明，對(duì)于MCC這種小尺度實(shí)驗(yàn)，PS生產(chǎn)過(guò)程中的不同工藝，對(duì)其影響很小。然而，與未經(jīng)阻燃的兩種PS材料相比，未經(jīng)阻燃的PU材料的燃燒組成值和熱釋放速率峰值不足PS材料相應(yīng)值的1/5，這表明，在同樣未經(jīng)阻燃的條件下，PU材料釋熱少得多，更顯火災(zāi)安全性。此外，與未經(jīng)阻燃處理的PU材料相比，經(jīng)過(guò)鹵素阻燃處理的PU材料的燃燒組成值、熱釋放速率峰值和總熱釋放量都更小。

表1 材料的火災(zāi)特性參數(shù)

3 結(jié)論

本文針對(duì)幾種典型建筑外墻保溫材料EPS、XPS和PU，基于MCC對(duì)其主要火災(zāi)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與對(duì)比，并分析了鹵素阻燃處理后的PU材料與未經(jīng)阻燃處理的PU材料的火災(zāi)特性參數(shù)。結(jié)果表明，同樣未經(jīng)阻燃的PU材料的燃燒組成值和熱釋放速率峰值不足PS材料相應(yīng)火災(zāi)參數(shù)值的1/5，即PU材料熱解燃燒過(guò)程中釋熱小得多，更顯火災(zāi)安全性。此外，與未阻燃的PU相比，經(jīng)過(guò)鹵素阻燃的PU各釋熱相關(guān)參數(shù)值均較小。因此，PU保溫材料比PS保溫材料的火災(zāi)安全性較高，經(jīng)阻燃處理后的PU材料安全性更佳。

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