典型外墙保温材料火灾特性的微燃烧量热仪实验研究

●陈应周

(厦门市消防支队，福建厦门 361012)

全球气候变化与温度升高引起了人们广泛关注，节能减排成了全人类的共同挑战［1－4］。对于建筑节能来说，在建筑外墙布设轻便、隔热且耐候性能好的保温材料是一种重要的节能减排方法，然而中央电视台北配楼火灾［5］和上海静安区教师公寓火灾［6］导致的悲剧，给人们敲响了警钟，即这些保温材料在带给人们节能便利的同时，也给人们的家居、办公及公共场所外壁包覆了一层快速燃烧的可燃物，带来火灾威胁。为此，针对建筑外墙保温材料的火灾性能，前人开展了一定的研究［7－11］，这些研究为实际建筑外墙保温材料的选型与设计，提供了一定的指导依据。然而，建筑材料典型火灾参数的测量，若能够避免材料外形等尺度因素的影响，则对于深入分析与对比不同材料的燃烧性能具有重要的指导意义。本文基于微燃烧量热仪(Microscale Combustion Calorimeter，以下简称MCC)，仅用毫克量级的材料，对其燃烧性能进行对比研究，从而为我国建筑外墙保温材料的选型与具体设计，提供科学的指导。

MCC是为了提高典型材料燃烧特性的测试精度及其可对比性而发展的一种新兴测试仪器，主要利用热分析手段来精确检测化学物质燃烧时的各典型火灾参数。它的主要优点在于仅仅需要若干毫克的试样，对其进行燃烧实验测试，可排除燃烧释热过程引起的一些物理因素的影响，测量过程中通过计算机控制来实现精确温度和气流量的调节，因此可在短短数分钟内对其火灾特性进行快速测量，以便于各类材料火灾特性的对比与分析。

1 实验样品与方法

通过对当前建筑外墙所用保温材料的调研与分析，本文选取目前我国普遍采用的3种保温材料，即XPS、EPS和PU，首先对未添加阻燃剂的这3类保温材料，基于MCC实验仪，对其典型火灾特性参数进行实验测量。此外，为了对比分析建筑保温材料中添加阻燃材料之后对其燃烧性能的影响，选取PU作为研究对象，将经过卤素阻燃的PU材料与未经过阻燃处理的PU材料，基于MCC实验仪，进行对比实验研究。

2 结果与讨论

基于MCC实验仪，针对上文所选的4种建筑外墙保温材料，对其典型火灾特性参数进行实验测量，这里设定的MCC测试条件为:升温速率60℃·min－1，气流通量 103 mL·min－1。实验测量的火灾特性参数主要包括:燃烧组成值、热释放速率、总热释放量、点燃温度。

2.1 热释放速率曲线分析

图1给出了3种未经阻燃的典型外墙保温材料受热燃烧过程中的热释放速率变化曲线，由图可见，所选3种外墙保温材料受热后生成的热释放速率变化过程都显著表现为仅有单一峰值，即这3种材料均只有一个显著的迅速释热过程。其中，XPS和EPS尽管加工生产工艺存在不同，然而由于其组成成分相同(均为PS)，因而其燃烧特性也较为相似。如图1所示，XPS和EPS受热后均显示出一个很陡的释热峰，而与XPS相比，EPS保温材料的热释放速率峰值更早到达，即在较低的温度值达到其热释放速率峰值。而与XPS、EPS相比，PU材料在热解燃烧过程中所表现出的释热过程则明显缓和，尽管PU材料到达热释放速率峰值的时间也较早，与EPS材料热释放速率峰值所到达时间相近，然而，其热释放速率峰值比2种PS材料的热释放速率峰值显著较小，可见，这里所针对的3种未经阻燃处理的典型保温材料，PU材料在热解燃烧过程中所释放的热量小得多，即在释热速率大小方面，PU体现出较好的火灾安全性。

图1 材料受热过程中热释放速率

图2给出了经过卤素阻燃处理与未经阻燃处理的PU材料在MCC实验中的热释放速率对比，由图2可见，两条热释放速率曲线的形状类似，但是，与未经阻燃处理的PU材料的热释放速率峰值相比，经过卤素阻燃的PU材料的热释放速率峰值明显较小，可见，卤素阻燃对于降低保温材料受热过程中的释热大小具有显著作用，也体现了其释热方面的安全性。

2.2 氧浓度曲线分析

图2 卤素阻燃与未阻燃处理的PU材料受热过程中热释放速率

图3给出了3种典型建筑保温材料受热燃烧过程中气流内氧气浓度的变化过程，由图3可见，热解过程中消耗氧气量由少到多的次序为:PU、EPS和XPS，即PU材料在受热过程中，发生的氧化释热过程相对较不剧烈，释热和耗氧量均较少;而XPS则反之，因此，XPS在火灾条件下的危险性应更大些。图4给出了进行卤素阻燃和未经阻燃处理的PU材料热解燃烧过程中消耗氧气速率的对比，由图可见，经过阻燃处理的PU材料热解过程中消耗氧气速率较小，而两种材料在热解燃烧过程中达到氧气消耗峰值的时刻则相近。

图3 材料热解过程中的氧浓度

图4 卤素阻燃与未阻燃PU保温材料热解过程中的氧浓度

2.3 火灾特性参数分析

为了对上述材料的典型火灾特性参数进行进一步清晰对比，表1给出了上述典型建筑保温材料的主要火灾特性参数。由表中各参数值可见，对于2种PS材料，其燃烧组成值、热释放速率峰值、总热释放量和点燃温度均很接近，这表明，对于MCC这种小尺度实验，PS生产过程中的不同工艺，对其影响很小。然而，与未经阻燃的两种PS材料相比，未经阻燃的PU材料的燃烧组成值和热释放速率峰值不足PS材料相应值的1/5，这表明，在同样未经阻燃的条件下，PU材料释热少得多，更显火灾安全性。此外，与未经阻燃处理的PU材料相比，经过卤素阻燃处理的PU材料的燃烧组成值、热释放速率峰值和总热释放量都更小。

表1 材料的火灾特性参数

3 结论

本文针对几种典型建筑外墙保温材料EPS、XPS和PU，基于MCC对其主要火灾特性进行了实验研究与对比，并分析了卤素阻燃处理后的PU材料与未经阻燃处理的PU材料的火灾特性参数。结果表明，同样未经阻燃的PU材料的燃烧组成值和热释放速率峰值不足PS材料相应火灾参数值的1/5，即PU材料热解燃烧过程中释热小得多，更显火灾安全性。此外，与未阻燃的PU相比，经过卤素阻燃的PU各释热相关参数值均较小。因此，PU保温材料比PS保温材料的火灾安全性较高，经阻燃处理后的PU材料安全性更佳。

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