淺析聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇在聚苯板燃燒性能中的應(yīng)用

【摘要】由聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇配制而成的阻燃劑常被應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的制備和生產(chǎn)中?；诰哿姿徜@、三聚氰胺、季戊四醇制備的防火涂料按一定比例涂覆于基材表面，在高溫作用下易發(fā)生膨脹和碳化現(xiàn)象，形成的碳化層可在一定時間內(nèi)起到隔熱阻火的作用，進(jìn)而提高基材抵御火源攻擊的能力。將該防火機(jī)理應(yīng)用到聚苯板（XPS）的生產(chǎn)中，以此來改變材料原有的燃燒特性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其對材料燃燒性能帶來的改變。

【關(guān)鍵詞】聚磷酸銨；三聚氰胺；季戊四醇；聚苯板（XPS）；燃燒性能

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.04.021

Application of Ammonium Polyphosphate， Melamine and Pentaerythritol in Combustion Performance of Polystyrene Board

BAI Richang， HUANG Mina， ZHANG Chunye， LIU Huijing， JIN Fu， CUI Wei

（Liaoning Inspection， Examination Certification Centre， Shenyang 110036， China）

Abstract： The flame retardants formed by the preparation of ammonium polyphosphate， melamine and pentaerythritol are often used in the preparation and production of fire retardant coatings for steel structures. The fireproof coating based on ammonium polyphosphate， melamine and pentaerythritol is coated on the surface of the substrate in a certain proportion， which is easy to expand and carbonize under the action of high temperature， and the carbonized layer formed can play the role of heat insulation and fire resistance in a certain time， then improving the ability of the substrate to resist fire source attack. In this study， we hope to replicate the fire extinguishing mechanism to the production of polystyrene board （XPS）， so as to change the original combustion characteristics of the material. The change of the combustion properties is verified by experiments.

Keywords： ammonium polyphosphate； melamine； pentaerythritol； polystyrene board（XPS）； combustion performance

聚苯板（XPS）是一種廣泛使用的保溫材料，因其卓越的保溫性能和經(jīng)濟(jì)的出廠價格，在外墻保溫系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。以聚苯板（XPS）為代表的保溫裝飾材料具有易燃特性，在高溫環(huán)境和火源攻擊條件下極易被引燃，燃燒現(xiàn)象猛烈且迅速。通常情況下，外墻保溫系統(tǒng)中的聚苯板一旦被明火或高溫?zé)彷椛湟?，將在短時間內(nèi)迅速燃燒，并向周圍快速擴(kuò)散，最終將一整套外墻保溫系統(tǒng)燃盡。在此過程中會伴隨大量的熱輻射和濃煙，燃燒滴落物不易被撲滅給消防救援帶來極大的難度。研究能夠降低保溫裝飾材料燃燒風(fēng)險并提高其阻燃性能的方法，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。這對于指導(dǎo)建筑保溫系統(tǒng)的設(shè)計與施工具有重要的研究意義。

1燃燒性能

建筑裝飾材料按照燃燒性能分級可分為四個等級：不燃材料（A級）、難燃材料（B1級）、可燃材料（B2級）、易燃材料（B3級）[1]。其中，以A級材料的燃燒性能為最佳。但在實(shí)際設(shè)計施工過程中考慮到材料的容重、保溫性能等因素，A級材料并不適用于所有的建筑保溫工程。隨著建筑保溫材料技術(shù)的進(jìn)步，聚苯乙烯泡沫板（EPS）、擠塑聚苯乙烯板（XPS）和聚氨酯泡沫（PU）等材料，通過阻燃處理，不僅滿足了燃燒性能的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時也保持了良好的保溫效果。在建筑施工中根據(jù)不同阻燃機(jī)理，提高聚苯板（XPS）的燃燒性能的方法主要有添加阻燃劑、無機(jī)材料復(fù)合和表面薄抹灰等。燃燒性能A級需要將聚苯板復(fù)合大量的無機(jī)材料，提高了無機(jī)材料的占比在提高材料的燃燒性能的同時也會致使材料喪失原有的保溫性能，沒有實(shí)際意義?，F(xiàn)有的阻燃聚苯板往往采用添加阻燃劑的方式來提高材料的燃燒性能，材料燃燒性能可達(dá)到B1級，但通過實(shí)驗(yàn)觀察可知，其在燃燒過程中是利用阻燃劑遇火分解的隔氧降溫特性來減緩火勢的發(fā)展，并不能有效阻斷火源熱力的傳播，僅能滿足在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測定數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在火源作用下不能有效隔絕火勢的發(fā)展。

2阻燃機(jī)理

物質(zhì)發(fā)生燃燒需要四個必要的基本條件：可燃物、氧化劑、引火源和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自由基。根據(jù)阻燃機(jī)理為了抑制燃燒的發(fā)展和阻斷火勢的傳播，主要的阻燃方式有以下幾種。

1）隔絕材料與氧氣的接觸。該種阻燃方式在提升材料燃燒性能方面應(yīng)用較為廣泛。主要是將可燃物與氧化劑進(jìn)行阻隔，在一定程度上降低材料與氧氣的接觸。減緩材料遇火發(fā)生反應(yīng)的強(qiáng)度和趨勢。市面上大量應(yīng)用的ABC干粉滅火器正是利用該種阻燃機(jī)理，使得細(xì)小顆粒的干粉滅火劑附著在燃燒物表面，降低燃燒物與氧氣的接觸進(jìn)而減緩火勢的發(fā)展起到滅火的效果。

2）生成惰性氣體降低可燃?xì)怏w濃度?？扇嘉镌诟邷丨h(huán)境下，首先是發(fā)生氣化，生成可燃性氣體進(jìn)而被引火源點(diǎn)燃發(fā)生燃燒現(xiàn)象。因此，當(dāng)可燃物在高溫環(huán)境下由于阻燃劑釋放的惰性氣體稀釋了可燃物周圍的可燃性氣體，降低了氧氣濃度含量，進(jìn)而達(dá)到抑制燃燒發(fā)展的作用。

3）降低環(huán)境溫度。在有機(jī)保溫材料的制備過程中加入無機(jī)阻燃劑添加物（氫氧化鎂、膨脹石墨、硼酸鹽、草酸鋁等），使其附著在有機(jī)材料周圍。當(dāng)材料發(fā)生燃燒時，使材料燃燒產(chǎn)生的溫度降低到燃燒臨界溫度以下燃燒自熄。無機(jī)阻燃劑遇熱分解后生成的金屬氧化物可覆蓋于燃燒物相表面阻擋熱傳導(dǎo)和熱輻射，以起到隔熱阻燃的作用。阻燃劑的受熱分解過程能吸收大量材料燃燒產(chǎn)生的熱量，同時產(chǎn)生的結(jié)晶水又能夠有效降低材料的溫度，減緩和放慢材料的燃燒過程和強(qiáng)度。

本研究中使用的聚磷酸銨、三聚氰胺以及季戊四醇三類物質(zhì)在高溫遇火條件下可形成膨脹。防火體系中的磷酸源、氣源和炭源被廣泛應(yīng)用于木質(zhì)板材的阻燃處理以及防火涂料的制備中，特別是在膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。構(gòu)成膨脹型防火體系的脫水催化劑、成炭劑和發(fā)泡劑三者缺一不可。當(dāng)材料遇火時高溫環(huán)境首先促使材料聚合物表面發(fā)生軟化和熔融現(xiàn)象，由發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體，氣體的生成促使軟化的樹脂層發(fā)生鼓泡膨脹現(xiàn)象，膨脹體積逐漸增大；脫水催化劑發(fā)生分解而釋放出游離的酸（如磷酸等），與多元醇類（如季戊四醇）發(fā)生反應(yīng)，使多元醇脫水成炭，起到隔熱阻火，控制火勢蔓延的特點(diǎn)。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

本研究首次將聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇組成的膨脹型阻燃劑，改變其原有的應(yīng)用場景，利用在高溫環(huán)境下的膨脹和成炭特性，采用真空吸附的生產(chǎn)方式將聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇替代阻燃劑添加到苯板（XPS）制備中，得到基于聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇組成的膨脹型防火保溫板。目的是在提高保溫材料的單體燃燒性能的同時起到隔熱阻火減緩火勢蔓延的作用。本研究將基于聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇組成的膨脹型防火保溫板與傳統(tǒng)的阻燃型苯板和未施加阻燃處理的普通苯板在同等條件下進(jìn)行燃燒性能分級檢測，檢測數(shù)據(jù)分析如表1所示，單體燃燒試驗(yàn)照片如圖1所示。

4試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象分析

保溫材料SBI單體燃燒試驗(yàn)是基于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗(yàn)》的一種模擬墻角實(shí)體火的檢測方法。對被測材料的總熱釋放量和燃燒速率等進(jìn)行量化的測定，是一種利用標(biāo)定熱值的火源點(diǎn)燃試件并對試件進(jìn)行燃燒性能分析的檢測方法[2]。

FIGRA燃燒增長速率指數(shù)是判定試件遇火燃燒發(fā)展速率的量化指標(biāo)，當(dāng)試件在額定時間內(nèi)的熱釋放量達(dá)到閾值時開始測定，并根據(jù)分級要求可細(xì)化為FIGRA0.2 MJ和FIGRA0.4 MJ。FIGRA測定結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象相對應(yīng)是衡量試件燃燒劇烈程度的數(shù)據(jù)指標(biāo)。

THR600 s總熱釋放量是計算試件在試驗(yàn)過程中的總熱釋放量的數(shù)據(jù)指標(biāo)。一般情況下與FIGRA成對應(yīng)關(guān)系，F(xiàn)IGRA越大THR600 s的數(shù)值越大，代表試件的燃燒越猛烈，其產(chǎn)生的熱釋放量越大。

火焰橫向蔓延至試樣長翼邊緣，該項(xiàng)測定數(shù)據(jù)考察的是試件在火源作用下發(fā)生燃燒時其火勢蔓延情況。即使FIGRA和THR600 s均滿足GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》要求，但試件無法有效阻隔火勢的橫向蔓延，仍不能證明試件具有良好的燃燒性能。因此，筆者參照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中建筑制品保溫材料涉及單體燃燒試驗(yàn)的燃燒性能的判定依據(jù)制定表2。

通過表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在未施加阻燃處理的普通型苯板，其FIGRA0.4 MJ為470 W/s，THR600 s為27.3 MJ，并且其火焰橫向蔓延至試樣長翼邊緣，均未達(dá)到GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中對建筑裝飾材料B1級制品的要求。其中，阻燃型苯板和膨脹型防火保溫板的FIGRA0.4 MJ指標(biāo)分別達(dá)到75 W和113 W，THR600 s指標(biāo)分別達(dá)到6.5 MJ和3.6 MJ，均達(dá)到GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中對建筑裝飾材料B1級制品的要求。比較數(shù)據(jù)特點(diǎn)得知，阻燃型苯板的FIGRA0.4 MJ數(shù)據(jù)更低，而膨脹型防火保溫板的THR600 s數(shù)據(jù)更低。通過對試驗(yàn)過程觀察發(fā)現(xiàn)，在試件燃燒試驗(yàn)初始階段膨脹型防火保溫板比阻燃型苯板的短時熱釋放速率更高，燃燒現(xiàn)象更加顯著。但隨著試驗(yàn)的推進(jìn)，表面阻燃膨脹體系的建立使得熱釋放速率隨即放緩，因此試件的總熱釋放量則更低。而阻燃型苯板在整個燃燒試驗(yàn)過程中發(fā)展較為均衡，隨著試件可燃性材料的燃盡，試件的燃燒現(xiàn)象才逐漸放緩。這也就解釋了為什么阻燃型苯板在FIGRA0.4 MJ指標(biāo)更低的前提下，卻比膨脹型防火保溫板有著更高的THR600 s數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析和試驗(yàn)過程的觀察可知，本研究基于聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇制備的膨脹型防火保溫板在高溫環(huán)境下特別是實(shí)體火焰攻擊條件下，生成的防火膨脹炭化體系可以有效提高材料的燃燒性能，同時能夠極大地減緩火勢的傳播和蔓延，起到隔熱阻火的作用。本研究是對建筑裝飾保溫材料阻燃處理方式的一種新探索。

5結(jié)束語

本研究改善了傳統(tǒng)保溫材料防火性能差、遇火發(fā)展迅速不易撲滅等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對苯板、擠塑板、聚氨酯板等傳統(tǒng)保溫材料的改性和防火性能提升，改變了其原有的燃燒方式，達(dá)到燃燒性能要求的同時提高遇火穩(wěn)定性，降低了擴(kuò)散性以及蔓延性，真正意義上實(shí)現(xiàn)其防火性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]建筑材料及制品燃燒性能分級：GB 8624—2012[S].

[2]建筑材料或制品的單體燃燒試驗(yàn)：GB/T 20284—2006[S].

【作者簡介】

白日昌，男，1985年出生，高級工程師，碩士，研究方向?yàn)榻ㄖ牧霞跋榔鞑臋z測方法。

（編輯：李鈺雙）