擠塑板單體燃燒試驗(yàn)熱輸出及其燃燒性能研究

張毅鵬

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 三門峽 472000)

火災(zāi)的發(fā)生威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，所以如何選擇建筑材料，使其滿足我國(guó)建筑材料的燃燒性能等級(jí)十分重要?，F(xiàn)代建筑大多使用的是有機(jī)保溫材料，它有著大部分無機(jī)保溫材料的物理性能，不僅能大大降低建筑發(fā)生火災(zāi)的概率，還符合當(dāng)代節(jié)能的要求，所以被廣泛地運(yùn)用于現(xiàn)代建筑中。而擠塑板是建筑的一種材料，它的燃燒性能成為選擇建筑材料的一個(gè)重要指標(biāo)。

1 擠塑板及其性能介紹

擠塑板是建筑有機(jī)保溫材料的主要品種，擠塑板的全稱是聚苯乙烯擠塑板(Polystyrene Extruded Board,XPS,以下簡(jiǎn)稱擠塑板)，可見它的主要組成部分是聚苯乙烯樹脂。擠塑板的表面是平整的，因?yàn)樗墙?jīng)過特有技術(shù)加工而成的。擠塑板為封閉式均勻帶孔狀，大致呈一個(gè)蜂窩煤的形狀質(zhì)量最小化，也正是因?yàn)槠涮囟ǖ慕Y(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出抗壓、輕質(zhì)、不會(huì)積水的特點(diǎn)。閉孔式蜂窩結(jié)構(gòu)般的厚板，抗壓能力極強(qiáng)，最高可抗壓至500 kPa，同時(shí)還具有持久的優(yōu)良保溫性能，是一種導(dǎo)熱系數(shù)低的環(huán)保型保溫材料。綜上所述，在干墻體保溫、平面混凝土屋頂及墻面保溫時(shí)，都會(huì)考慮到擠塑板材料。擠塑板還被廣泛應(yīng)用于低溫儲(chǔ)藏地面、低溫地板、泊車平臺(tái)、機(jī)場(chǎng)跑道、高速公路等公共區(qū)域，是目前建筑業(yè)首選的隔熱、防潮材料。

1.1 擠塑板的特性

一是隔熱性能。擠塑板特點(diǎn)是高熱阻，低線性，膨脹比低。擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)小于或等于0.028 W/(m·K),遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它的保溫材料(工程上通常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.25 W/(m·K)的材料作為保溫(絕熱)材料), 有試驗(yàn)證明10 mm厚的XPS擠塑保溫板，其保溫效果相當(dāng)于25 mm厚發(fā)泡聚苯乙烯，60 mm厚水泥珍珠巖。所以應(yīng)用到屋面、冷庫(kù)、墻體內(nèi)外的保溫隔熱效果比其他材料好。

二是阻隔濕氣。吸水率高會(huì)使其隔熱性能變差，但因?yàn)閿D塑板具有完整的閉孔式結(jié)構(gòu)，板的正反兩面都不會(huì)出現(xiàn)縫隙，當(dāng)漏水、冷凝、冰凍等情況發(fā)生時(shí)，能很好的阻隔濕氣，濕氣不會(huì)輕易滲透，這樣可以有效的防止板材老化。

三是高強(qiáng)度抗壓。XPS擠塑板的蜂窩閉孔式結(jié)構(gòu)使其抗壓能力極強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到500 kPa，而很多建筑中就是需要如此強(qiáng)大的抗壓性能。

四是阻燃性能。很多公共場(chǎng)地，如體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、工廠等地對(duì)保溫材料選擇標(biāo)準(zhǔn)就是對(duì)其阻燃性能的要求，而擠塑板是典型的阻燃產(chǎn)品，完全可以滿足顧客的要求。

五是高品質(zhì)的環(huán)保型材料。目前國(guó)家倡導(dǎo)使用環(huán)保型材料，而建筑中采用環(huán)保型材料更是成為重中之重。XPS擠塑板有著穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，無論在什么情況下，都不會(huì)產(chǎn)生任何有害的物質(zhì)。也不會(huì)分解出任何物質(zhì)，更不會(huì)輕易霉變，正如它的特性之一就是耐腐蝕。XPS擠塑板的生產(chǎn)原料用的都是環(huán)保型原料，不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，生產(chǎn)工藝中亦采用了環(huán)保技術(shù)，也會(huì)回收產(chǎn)生的固體廢料，經(jīng)處理后再使用，非常符合當(dāng)今的環(huán)保理念。

六是施工便利成本低。由于其材料都很輕，所以可以輕易搬運(yùn)，輕易切割，不需要任何工具，其質(zhì)量輕，固定的時(shí)候也簡(jiǎn)單，只需鐵片、鐵絲塑膠粘合劑式聚合物砂漿即可固定，穩(wěn)定性也極高，這些特性都大大降低建筑施工的成本。

2 單體燃燒試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

單體燃燒試驗(yàn)是評(píng)估建筑材料暴露在明火條件下所表現(xiàn)性能的試驗(yàn)方法。以下通過測(cè)量試驗(yàn)期間氧氣濃度的改變，以及管道中煙氣流量、CO2濃度等關(guān)鍵參數(shù)來計(jì)算總熱釋放量(THR)，熱釋放速率(HHR)，燃燒增長(zhǎng)速率指數(shù)(FIGRA)等。采取對(duì)聚苯乙烯保溫板、酚醛板、XPS擠塑板、橡塑海綿和聚氨酯進(jìn)行單體試驗(yàn)，氧指數(shù)、氧氣彈性熱值法和煙氣毒性動(dòng)物試驗(yàn)法等，試驗(yàn)過程中要考慮到實(shí)際使用中的安裝方式，安裝在試樣架上的試樣一定要相互垂直，以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

2.1 氧指數(shù)

將材料放在氮氧混合氣體中，看材料燃燒與否，可以得出材料穩(wěn)定燃燒的最低氧濃度，從而求出氧在混合氣體所占的百分比。

2.2 煙氣二氧化碳體積分?jǐn)?shù)

在求氧氣百分比的時(shí)候，可以變換思維，測(cè)量材料燃燒前后煙氣二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的變化，具體看試驗(yàn)?zāi)膫€(gè)更便于得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而做出選擇。

2.3 氧氣彈量熱試驗(yàn)

使用氧彈測(cè)量?jī)x來測(cè)量材料周圍的溫度，將所測(cè)量的材料放在氧彈試驗(yàn)容器中完全燃燒，周圍的介質(zhì)溫度會(huì)因?yàn)槿紵龝r(shí)放出的熱量而升高，需要在試驗(yàn)前也進(jìn)行一次溫度測(cè)量，通過對(duì)比燃燒前后溫度的變化可以得出燃燒數(shù)據(jù)。

2.4 煙氣毒性

選擇小白鼠做煙氣毒性試驗(yàn)。將小白鼠作為一個(gè)接收煙氣毒性的對(duì)象，準(zhǔn)備幾根足夠長(zhǎng)的石英管，將材料裝置石英管中，材料在一定溫度下熔解，成為氣流流入放置小白鼠的箱子，流入的時(shí)間和周圍的環(huán)境狀況要相同，可以依據(jù)小白鼠在接收煙氣毒性前后的體質(zhì)量變化，從而得出影響小鼠體質(zhì)量材料的質(zhì)量數(shù)。

2.5 總熱釋放量、熱釋放速率、燃燒增長(zhǎng)速率指數(shù)

前面所得到的數(shù)據(jù)都是可以測(cè)出來的，而熱釋放速率(HRR)、總熱釋放量(THR)、燃燒增長(zhǎng)速率(FIGRA)需要通過原始測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)單體燃燒試驗(yàn)的熱輸出原理，經(jīng)過一系列計(jì)算得出。熱釋放速率(HRR)=E·V·M(A/1+0.105A)，式中：E為每單位體積氧消耗的熱量，V為煙氣的流速，在計(jì)算體積流速的時(shí)候應(yīng)考慮測(cè)量時(shí)的壓力差、溫度和，A為耗氧系數(shù),可以根據(jù)氧氣所在混合氣體濃度的百分比所得出；總熱釋放量(THR)等于HRR的平均值；燃燒增長(zhǎng)速率(FIGRA)=1000·(HRR/t-300)max。

2.6 測(cè)定XPS擠塑板燃點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置包括溫度測(cè)定儀、秒表、鑷子和點(diǎn)火器等。首先需要將材料磨成細(xì)沙，并用天平稱重。先將稱好的材料放入容器中，然后將其放在可傳導(dǎo)熱量的銅爐當(dāng)中，銅爐需要事先加熱到300 ℃，每組試驗(yàn)依次加5 ℃，直到得出擠塑板的燃點(diǎn)溫度。然后，將銅爐置于點(diǎn)火器的上方，同時(shí)啟動(dòng)秒表，觀察其火焰持續(xù)的時(shí)間以及火焰的長(zhǎng)度?？梢远嘧鰩捉M試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，避免偶然性。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

3.1 燃燒現(xiàn)象的分析

在試驗(yàn)的時(shí)候，XPS擠塑板在遇到火苗的時(shí)候會(huì)熔融，熔融區(qū)域只會(huì)在火苗的附近，不會(huì)燃燒，也不會(huì)有蔓延的跡象，但熔融后的滴落物是會(huì)燃燒的；酚醛板燒器火焰接觸區(qū)附近；聚苯乙烯保溫板在碰到火源的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)燃燒和熔融兩個(gè)現(xiàn)象，熔融滴落物遇火是會(huì)燃燒的；聚氨酯保溫材料遇火出現(xiàn)的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，會(huì)出現(xiàn)較大火焰和煙霧，并且火焰會(huì)蔓延；橡塑板遇火燃燒熔融，會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧，火焰不會(huì)蔓延，但燃燒的時(shí)間會(huì)較其他長(zhǎng)一些。試驗(yàn)燃燒數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)燃燒數(shù)據(jù)表

3.2 分析

由表1氧的百分比結(jié)果可以看出橡塑海綿與其他材料相比，所需的氧氣量是最高的，擠塑板次之，接著就是聚苯乙烯保溫板，最后才是聚氨酯。這可以看出橡塑海綿的阻燃性效果是最好的。在氧氣充足的情況下，材料碰到火苗的時(shí)候可能就會(huì)引發(fā)火災(zāi)。表1的第二個(gè)數(shù)據(jù)氧彈法是在相同的氧氣含量中所釋放的熱量，由表1可知，擠塑板的燃燒熱量最高，橡塑海綿的燃燒熱量最低，聚苯乙烯釋放的熱量與擠塑板相差不大，很大程度上的原因可能是由于它們具有相同的原材料。通過實(shí)驗(yàn)可知，在保持外部條件相同的情況下，材料及它們質(zhì)量數(shù)的不同，所得出白小鼠的體質(zhì)量也是不同的。根據(jù)試驗(yàn)可以得出，擠塑板質(zhì)量數(shù)為23的時(shí)候，小白鼠在試驗(yàn)前后的體質(zhì)量不會(huì)有太大變化，而在其他質(zhì)量數(shù)的情況下，小白鼠的體質(zhì)量都會(huì)有所下降。橡塑海綿的最佳質(zhì)量數(shù)是15，聚氨酯的質(zhì)量數(shù)是3，聚苯乙烯的質(zhì)量數(shù)是25。表1中還有可以直接測(cè)出數(shù)據(jù)的是二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)。將材料置于相同濃度氧氣條件下封閉式燃燒，可以測(cè)出燃燒結(jié)束時(shí)二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)。空氣中如果二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1/500 000就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害，人體的呼吸速度會(huì)隨著二氧化碳的升高而升高，從而會(huì)加速對(duì)有毒氣體的吸收，威脅人們的生命安全。有統(tǒng)計(jì)表明，火災(zāi)中大部分發(fā)生死亡的原因是由于煙氣的影響，有很大程度上是因?yàn)槲樟擞卸镜臒煔舛杳灾滤馈?/p>

通過實(shí)驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)可知，擠塑板材料在400 s左右的時(shí)候熱釋放速率會(huì)達(dá)到峰值，之后迅速下降，到800 s時(shí)再增大一點(diǎn)，之后趨于平緩；橡塑海綿在400 s左右時(shí)升高到10，之后，都會(huì)趨于平緩的狀態(tài)；聚氨酯熱釋放速率不大，一直都處于平緩的狀態(tài)。在做擠塑板燃點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)，銅爐溫度為330 ℃以下時(shí)，每組的時(shí)間為5 s，未出現(xiàn)任何的火焰；銅爐溫度為330 ℃以上時(shí)，出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的火焰；銅爐溫度為350 ℃時(shí)，火焰持續(xù)正常。因此，可判定擠塑板的燃點(diǎn)溫度在350 ℃左右。由此可見，擠塑板的燃點(diǎn)較高，這是它在建筑中更受歡迎的主要原因。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)可知，聚氨酯的質(zhì)量數(shù)較其他幾種材料小的多，所以可以判斷出它燃燒產(chǎn)出煙氣的毒性最強(qiáng)，發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，對(duì)人們的生命安全威脅也最大。XPS擠塑板和聚苯乙烯保溫板在燃燒的時(shí)候會(huì)有滴落物，熔融后的滴落物都會(huì)燃燒，但火勢(shì)不會(huì)太大，也不會(huì)有明顯的蔓延現(xiàn)象，而酚醛板和聚氨酯材料燃燒后沒有滴落物，但是火勢(shì)會(huì)蔓延，從而也影響著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。擠塑板的熱釋放速率和熱釋放量較其他的材料都更大，且到達(dá)峰值的時(shí)間短，一旦發(fā)生火災(zāi)，其潛在的轟燃危險(xiǎn)大，現(xiàn)場(chǎng)人員逃生的時(shí)間很有限，所以在廣泛運(yùn)用于建筑材料中，具有潛在的重大火災(zāi)危險(xiǎn)性。但擠塑板的質(zhì)量數(shù)較其他的小，所以毒性較小，適合在施工中運(yùn)用。