保溫材料XPS燃燒性能的研究進(jìn)展

■ 魯玉鑫 楊虓熙 中國(guó)人民警察大學(xué)

擠塑聚苯乙烯（XPS）作為外保溫系統(tǒng)的核心材料，具有低電導(dǎo)率、質(zhì)地輕、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。然而，近年來(lái)，由外墻保溫材料引起的火災(zāi)事故頻發(fā)，其中有大眾熟知的中央電視臺(tái)北配樓火災(zāi)和上海靜安區(qū)教師公寓火災(zāi)，外墻保溫材料的安全問(wèn)題成為了焦點(diǎn)[1]。許多學(xué)者對(duì)外墻保溫材料的火災(zāi)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在保溫材料中XPS 是最具有火災(zāi)危險(xiǎn)性的材料之一。為此，本文綜述了XPS 燃燒性能的相關(guān)研究成果。

一、XPS 的引燃特性

（一）引燃溫度

孟慶璇[2]等選用DW-2A 型點(diǎn)燃溫度測(cè)定儀對(duì)XPS的點(diǎn)燃溫度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得其點(diǎn)燃溫度約為380℃。陳建功[3]等采用同樣儀器測(cè)量，發(fā)現(xiàn)XPS 的點(diǎn)燃溫度約為379℃。根據(jù)上述二者實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出XPS 的引燃溫度大約在380℃左右。然而，An W[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，保溫材料的熱穿透厚度隨外界熱輻射熱量的增大而減小。由此我們可以得出，點(diǎn)燃時(shí)當(dāng)外界熱通量越大時(shí)，材料的熱穿透厚度就越小，則能熱解出來(lái)的可燃?xì)怏w就越少；然而熱量一定，可燃?xì)怏w的質(zhì)量減少，其對(duì)應(yīng)的燃燒溫度就會(huì)增大，所以此時(shí)保溫材料的引燃溫度就會(huì)提升。因此，保溫材料的引燃溫度隨外界熱通量的增大而增大。

（二）點(diǎn)燃時(shí)間

安偉光[5]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得XPS 的點(diǎn)燃時(shí)間都隨試樣厚度的增大而增長(zhǎng)，在定量上分析是由于材料厚度較大，點(diǎn)燃時(shí)容易受熱收縮，從而不易產(chǎn)生火焰。為了分析點(diǎn)燃時(shí)間與材料厚度的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和推導(dǎo)得到引燃時(shí)間的公式為

綜上分析，XPS 在小尺寸實(shí)驗(yàn)下的引燃溫度大約在380℃左右；同時(shí)，XPS 的引燃溫度與熱輻射通量成正比關(guān)系；另外，XPS 的引燃時(shí)間符合擬合推導(dǎo)公式

二、XPS 的火焰蔓延特性

（一）寬度對(duì)XPS 火焰蔓延行為的影響

柳愛(ài)靜[6]等利用小尺寸實(shí)驗(yàn)研究寬度對(duì)XPS 水平火蔓延行為的影響。結(jié)果表明，無(wú)風(fēng)作用且XPS 寬度小于4cm時(shí)，燃燒較為穩(wěn)定；若寬度增加，火焰與空氣接觸充分，則燃燒劇烈。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)XPS 樣品燃燒時(shí)預(yù)熱角（火焰貼附面與樣品的夾角）隨寬度的增加先增大后減小，從而導(dǎo)致火焰蔓延速率隨寬度的增加先減小后增大，拐點(diǎn)在寬度為8cm 處。安偉光[5]等研究了在有邊墻和無(wú)邊墻工況下不同寬度的XPS 豎直逆流火蔓延特性。實(shí)驗(yàn)顯示，無(wú)邊墻時(shí)，XPS 逆流火焰蔓延速度隨寬度的增加先減小后增大，并且火焰振蕩明顯；有邊墻時(shí)，XPS 逆流火蔓延速度與樣品寬度成正比關(guān)系，火焰更貼近壁面，燃燒時(shí)柔和穩(wěn)定。

（二）厚度對(duì)XPS 火焰蔓延行為的影響

黃新杰[1]等通過(guò)小尺寸實(shí)驗(yàn)研究了不同厚度下XPS水平火蔓延的特征。結(jié)果表明，火蔓延速度隨厚度先增大后減小，厚度為4cm時(shí)，XPS 火蔓延速度最大。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)XPS 燃燒經(jīng)歷第一階段時(shí)，火蔓延速度主要取決于化學(xué)反應(yīng)速度，與厚度成正比關(guān)系；當(dāng)處于第二階段時(shí)，火蔓延速度與厚度成反比關(guān)系。然而，XPS 燃燒時(shí)的平均池火長(zhǎng)度、火焰高度、火焰?zhèn)让娣e都隨厚度的增加而增大。安偉光[5]等人研究了在有邊墻和無(wú)邊墻兩種工況下材料厚度對(duì)XPS 豎直逆流火蔓延的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，處于無(wú)邊墻工況下，XPS 火焰蔓延速度隨厚度的增大而增加；有邊墻時(shí)，較薄的XPS 試樣的火焰蔓延速度隨時(shí)間變化慢慢減速并且有停滯的現(xiàn)象，較厚的試樣火焰蔓延速度穩(wěn)定?？傊?，保溫材料豎直火蔓延速度與試樣厚度符合函數(shù)：

（三）放置角度對(duì)XPS 火焰蔓延行為的影響

黃新杰[1]等研究了放置角度對(duì)XPS 火蔓延特性的影響。結(jié)果表明，無(wú)論放置角度為正角還是負(fù)角，XPS 火焰蔓延速度都隨放置角度的增大而增大；雖然結(jié)論一致，但是造成上述現(xiàn)象的原因各有不同：負(fù)角越大時(shí)，XPS 燃燒時(shí)產(chǎn)生的熔融物易接觸到材料的未燃區(qū)域。正角越大時(shí)，預(yù)熱區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)未燃燒部分的熱輻射越大，從而火焰蔓延速度越快；同時(shí)，隨著正角的增加也會(huì)引起二次點(diǎn)火的現(xiàn)象，這主要是由于熔融XPS 材料受到重力的影響脫離熔融區(qū)域而造成的。

（四）點(diǎn)火位置對(duì)XPS 火焰蔓延行為的影響

胡超[7]等利用小尺寸燃燒實(shí)驗(yàn)研究了XPS 點(diǎn)火位置不同時(shí)豎直火焰的燃燒行為。選用底部位置點(diǎn)燃，材料不立刻燃燒；被點(diǎn)燃后，火焰向上的燃燒速度大于向兩側(cè)蔓延的速度，燃燒痕跡呈倒V 形；同時(shí)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生熔滴，熔滴會(huì)長(zhǎng)時(shí)間燃燒。選用中部位置點(diǎn)燃，點(diǎn)燃位置下方的材料很快燃燒，隨后其上方材料才會(huì)燃燒；在XPS 樣品穩(wěn)定燃燒后，將點(diǎn)火源撤除，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火位置上方的保溫材料不久就會(huì)熄滅且燃燒痕跡呈正V 形；而下方材料會(huì)猛烈燃燒，材料兩側(cè)的火焰蔓延速度大于向上的蔓延速度，燃燒痕跡呈現(xiàn)倒V 形。

綜合以上分析，材料寬度和厚度的增加會(huì)導(dǎo)致XPS 水平火焰蔓延速度先增大后減小，而豎直火焰蔓延速度持續(xù)增大，并且在無(wú)邊墻工況下XPS 豎直火焰蔓延速度大于有邊墻工況下的速度；同時(shí)，材料的火蔓延速度隨著材料的放置角度的增大而增大，所以當(dāng)XPS 豎直貼在建筑物外墻時(shí)，火災(zāi)危險(xiǎn)性最大；另外發(fā)現(xiàn)，建筑物底部的外墻保溫材料點(diǎn)燃要比中部位置點(diǎn)燃造成的火災(zāi)危險(xiǎn)性大。

三、XPS 的熱釋放速率特性

（一）微燃燒量熱儀實(shí)驗(yàn)

陳應(yīng)周[8]等采用微燃燒量熱儀對(duì)XPS、PU、EPS 的熱釋放速率進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，外墻保溫材料的熱釋放速率變化過(guò)程都明顯只有一個(gè)單峰，該峰出現(xiàn)在280s時(shí)刻處，峰值高達(dá)800W/g。與其他保溫材料相比，XPS 的熱釋放速率峰值更為陡峭，并且出現(xiàn)在較高的溫度值處。

（二）錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)

安偉光[5]等分別研究了XPS 不同厚度和不同輻射強(qiáng)度對(duì)熱釋放速率的影響，尺寸樣10cm×10cm，試樣厚度選擇為2cm、3cm、4cm、5cm。通過(guò)錐形量熱儀測(cè)試，發(fā)現(xiàn)XPS 的熱釋放速率和材料厚度沒(méi)有明顯的線性關(guān)系，但是實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)XPS 樣品較?。?cm）時(shí)，只出現(xiàn)一個(gè)熱釋放速率增長(zhǎng)峰；當(dāng)XPS 樣品較厚（大于2cm）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)熱釋放速率增長(zhǎng)峰，分別出現(xiàn)在點(diǎn)燃后和熄滅前。這是由于XPS 較薄時(shí)，第一個(gè)熱釋放速率增長(zhǎng)峰出現(xiàn)時(shí)，材料質(zhì)量損耗極大，致使第二個(gè)增長(zhǎng)峰不會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)XPS較厚時(shí)，在點(diǎn)燃材料但未燃著時(shí)，會(huì)有一定的質(zhì)量損失，并釋放一定量的熱解氣體，當(dāng)點(diǎn)燃后，熱解氣體燃燒會(huì)產(chǎn)生第一個(gè)熱釋放速率增長(zhǎng)峰；隨著燃燒的繼續(xù)，未燃材料表面接收到火焰和加熱錐的雙重?zé)崃髯饔?，質(zhì)量損失增大，會(huì)產(chǎn)生更多的熱解氣體，燃燒后會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)熱釋放速率增長(zhǎng)峰。同時(shí)發(fā)現(xiàn)厚度越大，出現(xiàn)熱釋放速率峰值的時(shí)間越晚，持續(xù)峰值的時(shí)間變長(zhǎng)，并且峰值還會(huì)降低。另外，不同輻射熱流作用下XPS 的熱釋放速率不同，XPS 的熱釋放速率的平均值和最大值均隨輻射熱流強(qiáng)度的增大而增大。

張苗[9]等采用錐形量熱儀研究不同輻射強(qiáng)度下對(duì)各種保溫材料熱釋放速率的影響。結(jié)果表明，隨著輻射熱的增加，XPS 的熱釋放速率峰值增大，點(diǎn)燃時(shí)間和達(dá)到峰值的時(shí)間縮短，且熱釋放速率峰值與峰值時(shí)刻點(diǎn)兩者呈反比例關(guān)系。相比于其他保溫材料，XPS 密度高，其燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫熔融液層附著在表面，使其長(zhǎng)時(shí)間處在熱釋放速率峰值處，致使XPS 熱釋放速率的圖像呈正梯形狀，因此可以推斷XPS 的熱危險(xiǎn)性更大。

（三）單體燃燒試驗(yàn)（SBI）試驗(yàn)

王俊勝[10]等利用單體燃燒試驗(yàn)（SBI）試驗(yàn)對(duì)XPS 等有機(jī)保溫材料的燃燒行為進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)初期XPS 的熱釋放速率曲線呈緩慢上升趨勢(shì)，在710s 左右達(dá)到峰值，峰值為40kW/s，隨后曲線緩慢下降。XPS 的火焰熔融會(huì)顯著影響SBI 試驗(yàn)過(guò)程中的燃燒增長(zhǎng)率指數(shù)，導(dǎo)致XPS 在SBI 試驗(yàn)條件下的燃燒增長(zhǎng)率指數(shù)明顯低于錐形量熱儀試驗(yàn)條件下的數(shù)值，這可能會(huì)造成對(duì)XPS 的潛在火災(zāi)危險(xiǎn)性的低估。

（四）大尺寸實(shí)驗(yàn)研究

崔崳[11]等采用大尺寸實(shí)驗(yàn)對(duì)外墻保溫材料的火蔓延特性進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)的樣品尺寸為120cm×60cm×3cm，分別將其在窗口溢流火和臨近壁面火兩種工況下進(jìn)行燃燒分析。在窗口溢流火工況下，由于XPS 是熱塑性材料，融化是受熱初期主要的行為，伴有熔滴出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，融化收縮的速度隨材料密度的減小而增大；其次，實(shí)驗(yàn)得出窗口越寬，火焰與避面的夾角越小，熔滴掉落前越容易與火焰接觸，從而使燃燒更加劇烈，在110s 左右就出現(xiàn)熱釋放速率峰值，并且峰值為250kW/s，而窄開(kāi)口溢流火相反，125s 左右達(dá)到熱釋放速率峰值，峰值有所下降為175kW/s。在臨近壁面火工況下，融化同樣是在初期受熱后的主要行為，火焰沖擊角度是影響熱釋放速率的因素，火焰沖擊角度越小，火焰壁面貼附效應(yīng)明顯，XPS 熱釋放速率增高。

綜上所述，相同條件下，XPS 尺寸和熱輻射強(qiáng)度越大，熱釋放速率峰值越大并且出現(xiàn)時(shí)間越早；XPS 厚度越大，熱釋放速率峰值越低且出現(xiàn)時(shí)間越晚，但是處于高熱釋放速率的時(shí)間變長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。然而，利用SBI 試驗(yàn)對(duì)XPS 的燃燒行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其熱釋放速率并沒(méi)有預(yù)期的高，可能是材料的成碳情況和火焰熔融導(dǎo)致的，可進(jìn)一步進(jìn)行探究。對(duì)于大尺度實(shí)驗(yàn)而言，分別采用窗口溢流火和臨近壁面火兩種加熱形式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)窗口溢流火開(kāi)口寬度越大，XPS 的HRR 的初始熱釋放速率越大；在臨近壁面火工況下，火焰沖擊角度越小，XPS 熱釋放速率增高。

五、結(jié)語(yǔ)

XPS 作為建筑中常用的有機(jī)保溫材料，本文總結(jié)了XPS 的引燃特性、火焰蔓延特性和熱釋放速率，為人們對(duì)其進(jìn)行防火提供了指導(dǎo)意義?？傮w來(lái)看，XPS 具有良好的保溫隔熱性，但相比其他保溫材料的缺點(diǎn)是燃燒過(guò)程中總熱釋放量大，火焰蔓延速度較快，成炭效果不佳，存在很大的安全隱患。所以，未來(lái)對(duì)XPS 的防火和阻燃技術(shù)是值得關(guān)注的熱點(diǎn)。

目前建筑的外墻保溫方法有外墻內(nèi)保溫法、外墻夾心保溫法、外墻外保溫法，未來(lái)可進(jìn)一步探索不同外墻保溫方式對(duì)保溫材料燃燒性能影響的研究；其次，不同的建筑形狀會(huì)對(duì)外墻保溫材料的燃燒特性產(chǎn)生影響。我國(guó)建筑設(shè)計(jì)多種多樣，部分建筑采用外墻保溫材料，未來(lái)可針對(duì)不同建筑形狀上的外墻保溫材料的燃燒進(jìn)行分析；最后，雖然有很多學(xué)者研究保溫材料的燃燒性能，但是進(jìn)行大尺寸實(shí)驗(yàn)研究的少之又少，未來(lái)對(duì)保溫材料進(jìn)行大尺度實(shí)驗(yàn)從而填補(bǔ)數(shù)據(jù)空缺的任務(wù)迫在眉睫。