建筑保溫裝飾材料阻燃方法研究

白日昌 張春野 黃米娜 金富 侯燁

【摘要】模塑聚苯板（EPS）、擠塑聚苯板（XPS）、聚氨酯（PU）等有機保溫材料被廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能系統(tǒng)，但其自身遇火穩(wěn)定性差以及火勢蔓延迅速等劣勢也被廣泛關(guān)注。本研究的目的是找到在不影響材料本身保溫性能的同時能夠有效地提高其燃燒性能，甚至達到移火自熄有效阻斷火勢傳播的方法。通過對燃燒性能測定方法、阻燃機理、具體阻燃方法的研究提出一套針對外墻保溫系統(tǒng)提升自身燃燒性能的方法。

【關(guān)鍵詞】模塑聚苯板（EPS）；擠塑聚苯板（XPS）；聚氨酯（PU）；阻燃機理；燃燒性能

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.03.024

【基金項目】遼寧省檢驗檢測認證中心創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目：采用聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇制備膨脹型防火保溫材料的研究。

Research on Flame Retardant Method of Building Thermal Insulation Decorative Materials

BAI Richang， ZHANG Chunye， HUANG Mina， JIN Fu， HOU Ye

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

Abstract： Organic insulation materials such as molded polystyrene board （EPS）， extruded polystyrene board （XPS）， and polyurethane（PU） are widely used in building energy-saving systems. However， their poor fire stability and rapid fire spread have also been widely recognized. The purpose of this study is to find a method that can effectively improve the combustion performance of the material without affecting its insulation performance， and even achieve effective fire suppression and self extinguishing to block the spread of fire. A set of methods for improving the combustion performance of exterior wall insulation systems is proposed through the study of combustion performance measurement methods， flame retardant mechanisms， and specific flame retardant methods.

Keywords： molded polystyrene board （EPS）； extruded polystyrene Board （XPS）； polyurethane （PU）； fire-retardant mechanism； combustion performance

0引言

2016年國家推行實施的《民用建筑節(jié)能管理規(guī)定》中提出了建筑節(jié)能管理要求。近些年，隨著建筑節(jié)能理念的推廣和建筑保溫材料技術(shù)的迭代更新，外墻保溫系統(tǒng)被大規(guī)模應(yīng)用于城市高層建筑中，并取得了良好的收效。但保溫材料的消防安全風(fēng)險也被全社會日益重視起來。同時，GB 50016— 2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[1]中對外墻保溫系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和材料設(shè)計要求均作出了明確的規(guī)定。隨著阻燃技術(shù)的發(fā)展以模塑聚苯板（EPS）、擠塑聚苯板（XPS）、聚氨酯（PU）等為代表的保溫材料不僅具有良好的隔熱保溫效能，同樣也兼具與之相對應(yīng)完善的防火性能。通過產(chǎn)品升級和阻燃方法的更新能在保持材料原有特性的前提下，有效地提高其燃燒性能是有機保溫材料能被大量應(yīng)用的前提條件。

1燃燒性能

燃燒性能包括建筑材料及制品在遇火燃燒情況下所產(chǎn)生的所有化學(xué)變化和物理變化，伴隨材料的燃燒可能出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ァ醾鲗?dǎo)、產(chǎn)煙、起泡、炭化、熱輻射、滴落物生成、失重以及毒性生成物等現(xiàn)象。目前，燃燒性能指標是判定建筑材料及制品遇火穩(wěn)定性的最直觀依據(jù)。國家標準GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》對建筑制品保溫材料的燃燒性能指標作出了詳細的要求，其中將建筑材料及制品的燃燒性能劃分為四個等級：A級（不燃材料）、B1級（難燃材料）、B2級（可燃材料）、B3級（易燃材料）[2]。

建筑設(shè)計中使用最為廣泛的模塑聚苯板（EPS）、擠塑聚苯板（XPS）、聚氨酯（PU）等有機材料的燃燒性能可達到B1級，巖棉、玻璃絲綿、發(fā)泡水泥等無機保溫材料的燃燒性能可達到A1級。以擠塑聚苯板（XPS）為代表的有機保溫材料比巖棉為代表的無機保溫材料具有燃燒性能差的劣勢，相反在保溫性能上有機保溫材料要優(yōu)于無機保溫材料。膠粉聚苯顆粒復(fù)合板是將有機材料聚苯顆粒與無機材料進行復(fù)合，是有機材料和無機材料相互妥協(xié)的一種產(chǎn)品。它以犧牲一定的保溫隔熱性能為代價，其燃燒性能可達到A2級，但其同樣有價格偏高、容重較大的劣勢，這在一定程度上限制了該類復(fù)合保溫材料的應(yīng)用。在不改變材料物理屬性的前提下提升其燃燒性能是既解決擠塑聚苯板（XPS）、聚氨酯（PU）等有機材料燃燒性能劣勢，又能保留其保溫屬性的有效途徑。

2試驗方法

建筑制品保溫材料的燃燒性能按照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》的要求可以分為A1、A2、B、C、D、E、F七個等級，其中A2、B、C、D四個等級的檢驗方法采用GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒實驗》。

GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗》是判定保溫材料燃燒性能最為常用的檢測方法標準。SBI單體燃燒試驗是一種模擬墻角實體火的測試方法，是利用被測定一定熱量的火源實際攻擊試件而分析試件燃燒性能的方法[3]。SBI單體燃燒試驗采用尺寸分別為1500 mm×1000 mm和1500 mm×500 mm的2塊試件垂直呈90°放置。并對試件表面施加固定熱值的火焰攻擊，在試驗規(guī)定時間內(nèi)分析整體試驗環(huán)境生成煙氣中氧濃度和二氧化碳濃度的變化情況。最終將煙氣中氧濃度和二氧化碳濃度的變化和煙氣的溫度變化，以及排煙管道壓力變化的數(shù)據(jù)指標，利用計算公式分析試件在試驗標準條件下的燃燒特征，并以燃燒熱釋放指數(shù)和總熱釋放量等形式量化地呈現(xiàn)出來。單體燃燒試驗示意圖如圖1所示。

3阻燃機理

大多數(shù)情況下燃燒現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展有四個必要的條件，即可燃物（按化學(xué)成分劃分為有機和無機，按形態(tài)可分為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）；氧化劑（一般情況下維持物質(zhì)燃燒需要一定含量的氧氣）；引火源（明火、電弧、電火花、雷擊、高溫、自燃引火源）；鏈式反應(yīng)自由基。阻燃機理是指材料或制品其燃燒強度降低的機制，利用材料或制品自身的燃燒特性，實施一定的方法減緩或減弱材料的燃燒強度甚至達到移火自熄的效果。主要的阻燃機理包括以下幾個方面：

1）隔絕氧氣

氧氣是維持物質(zhì)燃燒的基本條件，屬于燃燒的四個必要條件中的氧化劑。如果在燃燒過程中能有效隔絕材料與氧氣的接觸，將會減緩燃燒的發(fā)展。利用隔絕氧氣的原理進行阻燃處理的方法有材料表面涂抹水泥砂漿或?qū)Σ牧媳砻嫱扛卜阑鹜苛稀?/p>

2）釋放不燃氣體降低氧濃度

大多數(shù)有機材料燃燒的過程伴有氣化現(xiàn)象，即可燃物預(yù)熱分解釋放可燃氣體，可燃性氣體被點燃順帶點燃可燃物。通過在材料表面涂覆阻燃劑的方法可以抑制可燃物可燃性氣體揮發(fā)的同時阻燃劑釋放氮氣、二氧化碳等不燃性氣體。這樣可以降低可燃物周圍氧氣的濃度來達到抑制燃燒的作用[4]。

3）吸熱

在有機保溫材料的制備過程中加入無機阻燃劑添加物（氫氧化鎂、膨脹石墨、硼酸鹽、草酸鋁等），使其有效附著在有機材料周圍。當材料發(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。無機阻燃劑遇熱分解后生成的金屬氧化物可覆蓋于燃燒物表面，可有效阻擋熱傳導(dǎo)和熱輻射，以起到隔熱阻燃的作用。在這個過程中，由于阻燃劑的受熱分解能吸收大量材料燃燒產(chǎn)生的熱量，同時產(chǎn)生的結(jié)晶水又能夠有效地降低材料的溫度，進而減緩和放慢材料的燃燒過程和強度。

4檢測數(shù)據(jù)分析

為了分析不同的阻燃方式對材料燃燒性能的影響，我們設(shè)計一組比對試驗。根據(jù)阻燃機理的不同分別采用水泥砂漿涂覆、添加阻燃劑和防火涂料涂刷的方式對同一規(guī)格的模塑聚苯板（EPS）和阻燃膠合板進行阻燃處理，并利用SBI單體燃燒試驗對材料進行測試。將實驗數(shù)據(jù)進行總結(jié)和歸納，分析不同的阻燃處理方式可能對被測材料燃燒性能指標帶來的影響。試件基材分別選用18 kg/m3的模塑聚苯板（EPS）和15 mm厚的阻燃膠合板。在滿足標準規(guī)定的狀態(tài)調(diào)節(jié)時間后開展試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

通過以上數(shù)據(jù)可知，不同的阻燃方式能夠在一定程度上提高試件的燃燒性能，但不同基材的阻燃方式的適用性又有所不同。水泥砂漿涂覆的方式可以有效地提高模塑聚苯板的燃燒性能指標，由于水泥砂漿本身具有不燃屬性，涂覆在基材表面可以有效地隔絕可燃材料與氧氣的接觸[5]，但隨著試驗的進程，火焰的溫度會傳導(dǎo)至可燃物，進而引燃可燃物。這也就能解釋為什么在試驗前期燃燒率增長指數(shù)FIGRA0.4 MJ的數(shù)值很低，而隨著試驗進程的深入，F(xiàn)IGRA0.4 MJ的數(shù)值會急劇上升。鑒于水泥砂漿涂覆阻燃方式的特殊性考慮不同的涂覆厚度對阻燃的效果影響很大。因為水泥砂漿層越厚，越能夠有效地隔絕氧氣與可燃材料接觸，越能夠延長火焰熱力傳播的時間，達到隔熱阻火的效果。

阻燃劑浸泡的阻燃方式對提高模塑聚苯板和阻燃膠合板的燃燒性能均有顯著效果。阻燃劑附著在試件表面，遇熱分解生成的不燃氣體可以有效地降低試件表面氧氣含量，同時產(chǎn)生的結(jié)晶水也可以在一定程度上降低可燃材料的溫度。

涂刷防火涂料的阻燃方式對提高模塑聚苯板的燃燒性能作用不大，但對提高阻燃膠合板的燃燒性能有著顯著的效果。原因在于涂刷防火涂料的阻燃機理是防火涂料預(yù)熱膨脹碳化形成一層厚實的碳化層，可以阻斷火源的熱力傳導(dǎo)降低基材表面溫度。木材的燃點高于模塑聚苯板，同理相同的火源情況下模塑聚苯板更加易燃。因此，碳化層雖然能夠有效地隔氧阻燃，但不足以使材料表面的溫度低于材料的燃點。

5結(jié)束語

建筑保溫材料和建筑裝飾材料提高燃燒性能的阻燃處理方法有很多，不同的阻燃處理方法適用于不同的材料。防火涂料對于木飾面材料的燃燒性能有提升效果，但對苯板等有機保溫材料作用不大。在選擇阻燃處理方式時應(yīng)根據(jù)材料的屬性選取與之相適宜的阻燃機理。

【參考文獻】

[1]建筑設(shè)計防火規(guī)范：GB 50016—2014[S].

[2]建筑材料及制品燃燒性能分級：GB 8624—2012[S].

[3]建筑材料或制品的單體燃燒試驗：GB/T 20284—2006[S].

[4]張屹東，董文博，劉慶，等.EPS保溫板燃燒性能等級改進措施的試驗研究[J].工程質(zhì)量，2023，41（增刊1）：79-83.

[5]鞏建愛.模塑聚苯板燃燒性能提高技術(shù)探究[J].四川水泥，2020（6）：146.

【作者簡介】

白日昌，男，1985年出生，高級工程師，碩士，研究方向為建筑材料及消防器材檢測。

（編輯：李鈺雙）