建筑防火中高分子復合材料的應用

1前言

隨著城市建設密度和建筑功能復雜性的持續(xù)提升，火災風險防控成為建筑安全管理的關鍵問題之一。特別是在高層建筑和大型公共設施中，火災一旦發(fā)生，將帶來嚴重人員傷亡與財產損失。新材料的發(fā)展與建筑工業(yè)的融合，正在不斷推動傳統(tǒng)建筑設計理念的變革。高分子材料因其輕質、高強、耐腐蝕等特性，早已在多個工程領域得到廣泛應用，而其在建筑防火領域的潛力，也受到了相關工作者的廣泛關注。

2建筑防火性能需求分析

建筑材料需符合國家及行業(yè)防火規(guī)范，重點關注指標涵蓋燃燒等級、耐火時長、熱釋放量及產煙特性等。當前建筑設計普遍要求材料燃燒等級不低于B1級，關鍵部位如鋼結構防火層的耐火時間需 ?2h ，特定功能區(qū)（如避難層、電梯井道）甚至需滿足3h耐火標準。此外，為降低火災中有害氣體風險，材料煙毒性危害指數(shù)應≤15。隨著建筑結構復雜化，構件與裝飾系統(tǒng)的組合形式多樣化，防火設計需兼顧單一材料性能與整體系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性及火災響應協(xié)同性。

3高分子復合材料在建筑防火中的結構優(yōu)勢與阻燃機理

高分子復合材料是以聚合物為基體，結合增強相（如纖維、顆粒或層狀材料）經物理或化學手段復合形成的多功能材料，具備良好的力學特性、耐熱性及可調控性能。在建筑工程中，基體材料通常選用環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、聚氨酯及丙烯酸系聚合物，增強組分多采用玻璃纖維、玄武巖纖維、氫氧化鋁以及硅酸鹽類礦物填料。優(yōu)化各組分比例與復合結構，可同步提升材料的機械強度、阻燃效果、導熱性能及使用壽命。

4高分子復合材料在建筑防火中的應用現(xiàn)狀

4.1高分子復合材料在建筑外墻與保溫系統(tǒng)中的應用

4.1.1聚氨酯／硅酸鋁纖維復合保溫板在外墻系統(tǒng)中的防火應用

聚氨酯/硅酸鋁纖維復合保溫板是一種集輕質保溫與優(yōu)異防火性能于一體的高分子復合材料系統(tǒng)，廣泛用于建筑外墻保溫體系中。該材料以閉孔型剛性聚氨酯泡沫為高分子基體，具有極低的導熱系數(shù)（ λ≈0.022W/（m? K）），其內部結構穩(wěn)定，可顯著提升建筑熱工性能；與此同時，采用硅酸鋁纖維作為增強相，使整體材料在高溫作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐火穩(wěn)定性。硅酸鋁纖維熔點超過1200^°C ，在火災初期形成物理隔熱層，有效減緩熱量傳遞。防火機制方面，該復合體系利用物理阻隔和化學反應雙重機制協(xié)同實現(xiàn)阻燃效果：聚氨酯中引入磷系阻燃劑，在 300^°C 以上熱解時釋放磷酸自由基促進碳化，硅酸鋁纖維骨架維持材料結構完整，形成致密碳層，阻斷氧氣與可燃氣體交換。復合保溫板的極限氧指數(shù) （LOI）? 30% ，熱解殘?zhí)柯食^ 40% ，在 750^°C 明火條件下可持續(xù)90min 不坍塌。

4.1.2改性聚苯乙烯/氫氧化鋁復合外墻保溫板的防火 性能提升

改性聚苯乙烯（EPS）/氫氧化鋁復合外墻保溫板是對傳統(tǒng)保溫系統(tǒng)的阻燃性能重要升級。該板材以可發(fā)性聚苯乙烯為主體材料，利用接枝改性技術提升其熱解溫度至 260^°C 以上，并在基體中均勻分散氫氧化鋁 ΔAl（OH）₃ ）無機阻燃填料，形成熱一物理協(xié)同抑燃系統(tǒng)。在火災高溫環(huán)境下，氫氧化鋁于 220%～250% 發(fā)生吸熱分解，釋放出結晶水稀釋可燃氣體，同時生成氧化鋁固體殘渣覆蓋材料表面形成保護層，從而阻隔熱源傳導并中斷燃燒鏈反應。摻雜比例為 40% 的復合材料，其極限氧指數(shù)可由原EPS的 17% 提升至 28% ，熱釋放速率（HRR）降低約45% ，煙密度減少 35% 以上。與此同時，材料的導熱系數(shù)維持在 0.035W/（m^?K） 以內，保證不會影響其保溫性能。

4.2高分子復合材料在建筑內部裝飾材料中的應用

4.2.1聚氯乙烯／滑石粉復合地板材料在商業(yè)空間中的防火應用

聚氯乙烯（PVC）/滑石粉復合地板材料在商業(yè)空間中應用廣泛，其兼具良好的阻燃性、耐磨性和裝飾性，是現(xiàn)代高人流區(qū)域室內地面系統(tǒng)的理想選擇。該材料以PVC為基體，通過熔融擠出工藝與 40%～60% 的微米級滑石粉均勻復合，不僅顯著提高了材料的熱穩(wěn)定性與尺寸穩(wěn)定性，還有效增強了其燃燒抑制能力?；蹫閷訝罟杷猁}結構，無毒、不可燃，其在火災高溫作用下可形成連續(xù)無機熱屏障層，降低熱導率至約 0.25W/（m?K） ，有效延緩熱量向下傳遞。PVC分子中的氯元素在燃燒時會釋放出HCI氣體，能抑制自由基鏈反應，具有一定的自熄性。實驗數(shù)據(jù)顯示，該類復合地板材料極限氧指數(shù)（LOI）達到 28% ，燃燒等級達B1級，符合GB8624-2012標準的商業(yè)室內使用要求。如在某城市大型購物中心內安裝的 3.2mm 厚PVC/滑石粉復合地板，在 600^°C 熱源加熱下可保持 90min 結構不變形，且表面炭化均勻，無熔滴、無濃煙產生，有效保障疏散安全和人員避險。

4.2.2酚醛樹脂／玄武巖纖維復合墻板在地鐵與醫(yī)院中的阻燃裝飾應用

酚醛樹脂/玄武巖纖維復合墻板因其出色的防火性能和力學性能，在地鐵、醫(yī)院等高安全等級公共場所的墻體裝飾系統(tǒng)中得到廣泛應用。該材料以熱固性酚醛樹脂為基體，其在高溫下可發(fā)生炭化反應，炭殘率可高達45%～50% ，形成致密隔熱炭層，有效抑制火焰?zhèn)鞑?；同時復合玄武巖連續(xù)纖維，其熔點高達 1450^qC ，強度大、熱變形小，可在火災條件下維持結構穩(wěn)定性。根據(jù)測試，材料熱導率約為 0.29W/（m^?K） ，極限氧指數(shù)為 34% ，在標準垂直燃燒實驗中可保持 120min 完整性，煙密度等級SD?15 ，毒性釋放控制在國家A類裝飾材料限值內。結構方面，復合板厚度一般為 10mm～12mm ，面密度約

8.5kg/m² ，具有較好抗沖擊性與防潮性能，適用于地鐵通道、站廳、醫(yī)院病區(qū)墻面等頻繁清洗與高頻接觸區(qū)域。在上海某地鐵線路的換乘樞紐改造工程中，酚醛／玄武巖墻板經干掛式系統(tǒng)安裝，測試期內無起翹、無剝落，現(xiàn)場火源測試中炭層完整，具備優(yōu)異的熱阻能力和裝飾壽命穩(wěn)定性。

4.3高分子復合材料在建筑結構構件中的應用

4.3.1環(huán)氧樹脂／磷酸銨膨脹體系在鋼結構防火涂層中的應用

環(huán)氧樹脂/磷酸銨膨脹型涂層作為鋼結構防火保護中的關鍵材料，因其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性與膨脹阻燃特性被廣泛應用于大型公共建筑及高層鋼框架體系中。該涂層以環(huán)氧樹脂為基體，加人聚磷酸銨（APP）、季戊四醇（PER）、三聚氰胺（MEL）等膨脹型阻燃組分，構成典型的“酸源一炭源一發(fā)泡劑\"協(xié)同系統(tǒng)。在受熱條件下，涂層可于 250^qC～300^qC 之間發(fā)生反應，APP分解釋放磷酸并催化炭化反應，PER提供碳骨架，MEL釋放氣體促成發(fā)泡，三者協(xié)同生成致密膨脹炭層，其厚度可膨脹至原涂層的15倍 ～30 倍，顯著延緩熱量傳導與基材升溫速率。實測數(shù)據(jù)顯示，該防火體系在厚度 2.5mm 條件下，耐火極限可達 2.5h 以上，鋼材表面溫度控制在 550^qC 以內，有效延緩結構失穩(wěn)時間。該涂層系統(tǒng)不僅具備良好的防火隔熱功能，同時兼具耐腐蝕、附著力強（拉伸強度 ? 1.5MPa ）施工適應性廣的特點，可采用噴涂、輥涂或刷涂等方式施工，適用于不同復雜幾何鋼構件表面。

4.3.2酚醛樹脂/玻璃纖維復合電纜橋架在公共設施防火系統(tǒng)中的應用

酚醛樹脂/玻璃纖維復合材料在防火電纜橋架領域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，特別適用于軌道交通、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等對供電連續(xù)性與防火隔離要求極高的公共設施系統(tǒng)中。該橋架采用熱固性酚醛樹脂作為基體材料，結合縱橫定向排列的玻璃纖維布，應用拉擠或模壓成型工藝制備，具備高強度（抗彎強度 ?320MPa ）耐熱性強（熱變形溫度 ?180^°C ）、電絕緣性能好等綜合優(yōu)勢。酚醛樹脂具有天然的阻燃特性，其熱裂解反應于 300^°C 開始，炭化率達 50% 以上，在火災環(huán)境下可快速形成連續(xù)碳層，阻隔氧氣滲透并有效抑制燃燒鏈反應。玻璃纖維增強層在高溫中保持穩(wěn)定形態(tài)，防止結構斷裂或塌落，顯著提高整體耐火極限與熱穩(wěn)定性。試驗表明，該復合電纜橋架在750^°C 火焰噴射下維持結構完整 120min ，LOI值達 35% 且在GB/T20285煙密度試驗中表現(xiàn)優(yōu)異，SD值控制在12以內。工程應用中，該橋架安裝簡便，單位重量較鋼制橋架減輕約 40% ，適配高空敷設與復雜布線環(huán)境，且耐腐蝕、免維護周期長。

5建筑防火中高分子復合材料的應用案例分析

5.1應用高分子復合材料的建筑項目概述

在“某智慧城市產業(yè)孵化中心\"建筑群項目中，高分子復合材料被系統(tǒng)化應用于外墻保溫系統(tǒng)、鋼結構防火保護以及室內墻面裝飾模塊中，項目總建筑面積約14.6萬 m² ，建筑高度 57.4m ，功能涵蓋辦公、數(shù)據(jù)中心、科研實驗與多功能展示空間。該項目位于地震設防烈度為8度的區(qū)域，且全年平均氣溫波動大，防火、安全與節(jié)能性能要求較高。項目外墻采用聚氨酯復合保溫板結合水性丙烯酸膨脹型防火涂層系統(tǒng)，平均厚度為 60mm ，導熱系數(shù)控制在 0.032W/（m?K） ，并搭配耐火極限 ≥1.5h 的高分子界面砂槳作為保護層，有效兼顧了熱工性能與耐火要求。鋼結構主桁架采用環(huán)氧-磷酸銨復合膨脹型防火涂料噴涂，厚度 2.5mm ，經耐火測試能在火場 1200^°C 下保持結構完整性2h以上。內裝區(qū)域墻面全部選用酚醛樹脂基復合墻板，兼具A2級燃燒性能和良好的抗沖擊性，適應復雜的辦公與展示環(huán)境。

5.2防火性能實驗測試及效果評估

為驗證高分子復合材料在建筑防火系統(tǒng)中的實際性能，項目采用標準防火模擬實驗進行性能測試，實驗依據(jù)GB/T9978.1-2008《建筑構件耐火試驗方法》執(zhí)行。實驗原理基于熱輻射加熱-溫度傳感反饋機制，通過恒溫高溫燃燒室模擬火災環(huán)境，對材料樣本進行熱通量與完整性評估。測試樣本包括外墻保溫復合板、鋼結構防火涂層片段和室內墻面復合板，共9組樣品，每組3塊。

實驗方法分為五個步驟：第一步為樣品預處理（干燥、標準尺寸裁剪）;第二步在垂直爐內均勻加熱，溫度設定梯度提升至 1200^°C ；第三步記錄每種材料的完整性保持時間和背火面溫度；第四步對樣品炭化厚度及形變進行分析；第五步基于熱重分析法評估其質量損耗和熱解速率，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，所有材料均能在高溫作用下維持結構完整性超過 90min ，遠超一般建筑防火分隔構件的最小耐火極限要求（ 60min ），其中鋼結構防火涂層在高溫條件下表現(xiàn)最優(yōu)，炭化層致密均勻，熱通量屏蔽率超過 65% 。此外，質量損耗率均低于 30% ，顯示材料熱分解速率受控，無爆裂、滴落等危險燃燒行為。實驗結果充分說明高分子復合材料在實際建筑應用中具備優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、結構完整性和防火保護能力，具有良好的安全保障性能。

6結論

通過對高分子復合材料在建筑防火領域中的系統(tǒng)研究與實驗驗證，發(fā)現(xiàn)該類材料在熱穩(wěn)定性、耐火極限和材料完整性方面均表現(xiàn)出優(yōu)越性能，驗證了其作為防火構造核心組成部分的可行性與普遍適用性。盡管在復雜環(huán)境長期老化性能方面仍需進一步深入探討，但本研究在構建建筑防火系統(tǒng)集成設計框架方面具有理論指導價值與工程實踐意義。建議未來研究結合智能感知技術，探索高分子復合材料的動態(tài)響應與自適應阻燃機制，提升其在智能防火領域的應用深度。

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