挤塑板单体燃烧试验热输出及其燃烧性能研究

张毅鹏

(三门峡职业技术学院, 河南 三门峡 472000)

火灾的发生威胁着人们的生命和财产安全，所以如何选择建筑材料，使其满足我国建筑材料的燃烧性能等级十分重要。现代建筑大多使用的是有机保温材料，它有着大部分无机保温材料的物理性能，不仅能大大降低建筑发生火灾的概率，还符合当代节能的要求，所以被广泛地运用于现代建筑中。而挤塑板是建筑的一种材料，它的燃烧性能成为选择建筑材料的一个重要指标。

1 挤塑板及其性能介绍

挤塑板是建筑有机保温材料的主要品种，挤塑板的全称是聚苯乙烯挤塑板(Polystyrene Extruded Board,XPS,以下简称挤塑板)，可见它的主要组成部分是聚苯乙烯树脂。挤塑板的表面是平整的，因为它是经过特有技术加工而成的。挤塑板为封闭式均匀带孔状，大致呈一个蜂窝煤的形状质量最小化，也正是因为其特定的结构，呈现出抗压、轻质、不会积水的特点。闭孔式蜂窝结构般的厚板，抗压能力极强，最高可抗压至500 kPa，同时还具有持久的优良保温性能，是一种导热系数低的环保型保温材料。综上所述，在干墙体保温、平面混凝土屋顶及墙面保温时，都会考虑到挤塑板材料。挤塑板还被广泛应用于低温储藏地面、低温地板、泊车平台、机场跑道、高速公路等公共区域，是目前建筑业首选的隔热、防潮材料。

1.1 挤塑板的特性

一是隔热性能。挤塑板特点是高热阻，低线性，膨胀比低。挤塑板的导热系数小于或等于0.028 W/(m·K),远远低于其它的保温材料(工程上通常把导热系数小于0.25 W/(m·K)的材料作为保温(绝热)材料), 有试验证明10 mm厚的XPS挤塑保温板，其保温效果相当于25 mm厚发泡聚苯乙烯，60 mm厚水泥珍珠岩。所以应用到屋面、冷库、墙体内外的保温隔热效果比其他材料好。

二是阻隔湿气。吸水率高会使其隔热性能变差，但因为挤塑板具有完整的闭孔式结构，板的正反两面都不会出现缝隙，当漏水、冷凝、冰冻等情况发生时，能很好的阻隔湿气，湿气不会轻易渗透，这样可以有效的防止板材老化。

三是高强度抗压。XPS挤塑板的蜂窝闭孔式结构使其抗压能力极强，抗压强度可达到500 kPa，而很多建筑中就是需要如此强大的抗压性能。

四是阻燃性能。很多公共场地，如体育场馆、会展中心、工厂等地对保温材料选择标准就是对其阻燃性能的要求，而挤塑板是典型的阻燃产品，完全可以满足顾客的要求。

五是高品质的环保型材料。目前国家倡导使用环保型材料，而建筑中采用环保型材料更是成为重中之重。XPS挤塑板有着稳定的化学性质，无论在什么情况下，都不会产生任何有害的物质。也不会分解出任何物质，更不会轻易霉变，正如它的特性之一就是耐腐蚀。XPS挤塑板的生产原料用的都是环保型原料，不会产生有害气体，生产工艺中亦采用了环保技术，也会回收产生的固体废料，经处理后再使用，非常符合当今的环保理念。

六是施工便利成本低。由于其材料都很轻，所以可以轻易搬运，轻易切割，不需要任何工具，其质量轻，固定的时候也简单，只需铁片、铁丝塑胶粘合剂式聚合物砂浆即可固定，稳定性也极高，这些特性都大大降低建筑施工的成本。

2 单体燃烧试验及数据分析

单体燃烧试验是评估建筑材料暴露在明火条件下所表现性能的试验方法。以下通过测量试验期间氧气浓度的改变，以及管道中烟气流量、CO2浓度等关键参数来计算总热释放量(THR)，热释放速率(HHR)，燃烧增长速率指数(FIGRA)等。采取对聚苯乙烯保温板、酚醛板、XPS挤塑板、橡塑海绵和聚氨酯进行单体试验，氧指数、氧气弹性热值法和烟气毒性动物试验法等，试验过程中要考虑到实际使用中的安装方式，安装在试样架上的试样一定要相互垂直，以保证试验的准确性。

2.1 氧指数

将材料放在氮氧混合气体中，看材料燃烧与否，可以得出材料稳定燃烧的最低氧浓度，从而求出氧在混合气体所占的百分比。

2.2 烟气二氧化碳体积分数

在求氧气百分比的时候，可以变换思维，测量材料燃烧前后烟气二氧化碳体积分数的变化，具体看试验哪个更便于得出实验数据和得出试验数据的准确性，从而做出选择。

2.3 氧气弹量热试验

使用氧弹测量仪来测量材料周围的温度，将所测量的材料放在氧弹试验容器中完全燃烧，周围的介质温度会因为燃烧时放出的热量而升高，需要在试验前也进行一次温度测量，通过对比燃烧前后温度的变化可以得出燃烧数据。

2.4 烟气毒性

选择小白鼠做烟气毒性试验。将小白鼠作为一个接收烟气毒性的对象，准备几根足够长的石英管，将材料装置石英管中，材料在一定温度下熔解，成为气流流入放置小白鼠的箱子，流入的时间和周围的环境状况要相同，可以依据小白鼠在接收烟气毒性前后的体质量变化，从而得出影响小鼠体质量材料的质量数。

2.5 总热释放量、热释放速率、燃烧增长速率指数

前面所得到的数据都是可以测出来的，而热释放速率(HRR)、总热释放量(THR)、燃烧增长速率(FIGRA)需要通过原始测量数据，根据单体燃烧试验的热输出原理，经过一系列计算得出。热释放速率(HRR)=E·V·M(A/1+0.105A)，式中：E为每单位体积氧消耗的热量，V为烟气的流速，在计算体积流速的时候应考虑测量时的压力差、温度和，A为耗氧系数,可以根据氧气所在混合气体浓度的百分比所得出；总热释放量(THR)等于HRR的平均值；燃烧增长速率(FIGRA)=1000·(HRR/t-300)max。

2.6 测定XPS挤塑板燃点温度实验

实验装置包括温度测定仪、秒表、镊子和点火器等。首先需要将材料磨成细沙，并用天平称重。先将称好的材料放入容器中，然后将其放在可传导热量的铜炉当中，铜炉需要事先加热到300 ℃，每组试验依次加5 ℃，直到得出挤塑板的燃点温度。然后，将铜炉置于点火器的上方，同时启动秒表，观察其火焰持续的时间以及火焰的长度。可以多做几组试验，以保证试验的准确性，避免偶然性。

3 试验现象及结果分析

3.1 燃烧现象的分析

在试验的时候，XPS挤塑板在遇到火苗的时候会熔融，熔融区域只会在火苗的附近，不会燃烧，也不会有蔓延的迹象，但熔融后的滴落物是会燃烧的；酚醛板烧器火焰接触区附近；聚苯乙烯保温板在碰到火源的时候，会出现燃烧和熔融两个现象，熔融滴落物遇火是会燃烧的；聚氨酯保温材料遇火出现的现象比较严重，会出现较大火焰和烟雾，并且火焰会蔓延；橡塑板遇火燃烧熔融，会产生大量的烟雾，火焰不会蔓延，但燃烧的时间会较其他长一些。试验燃烧数据见表1。

表1 试验燃烧数据表

3.2 分析

由表1氧的百分比结果可以看出橡塑海绵与其他材料相比，所需的氧气量是最高的，挤塑板次之，接着就是聚苯乙烯保温板，最后才是聚氨酯。这可以看出橡塑海绵的阻燃性效果是最好的。在氧气充足的情况下，材料碰到火苗的时候可能就会引发火灾。表1的第二个数据氧弹法是在相同的氧气含量中所释放的热量，由表1可知，挤塑板的燃烧热量最高，橡塑海绵的燃烧热量最低，聚苯乙烯释放的热量与挤塑板相差不大，很大程度上的原因可能是由于它们具有相同的原材料。通过实验可知，在保持外部条件相同的情况下，材料及它们质量数的不同，所得出白小鼠的体质量也是不同的。根据试验可以得出，挤塑板质量数为23的时候，小白鼠在试验前后的体质量不会有太大变化，而在其他质量数的情况下，小白鼠的体质量都会有所下降。橡塑海绵的最佳质量数是15，聚氨酯的质量数是3，聚苯乙烯的质量数是25。表1中还有可以直接测出数据的是二氧化碳的体积分数。将材料置于相同浓度氧气条件下封闭式燃烧，可以测出燃烧结束时二氧化碳的体积分数。空气中如果二氧化碳的体积分数达到1/500 000就会对人体产生伤害，人体的呼吸速度会随着二氧化碳的升高而升高，从而会加速对有毒气体的吸收，威胁人们的生命安全。有统计表明，火灾中大部分发生死亡的原因是由于烟气的影响，有很大程度上是因为吸收了有毒的烟气而昏迷致死。

通过实验所获数据可知，挤塑板材料在400 s左右的时候热释放速率会达到峰值，之后迅速下降，到800 s时再增大一点，之后趋于平缓；橡塑海绵在400 s左右时升高到10，之后，都会趋于平缓的状态；聚氨酯热释放速率不大，一直都处于平缓的状态。在做挤塑板燃点试验时，铜炉温度为330 ℃以下时，每组的时间为5 s，未出现任何的火焰；铜炉温度为330 ℃以上时，出现断断续续的火焰；铜炉温度为350 ℃时，火焰持续正常。因此，可判定挤塑板的燃点温度在350 ℃左右。由此可见，挤塑板的燃点较高，这是它在建筑中更受欢迎的主要原因。

4 结论

通过实验可知，聚氨酯的质量数较其他几种材料小的多，所以可以判断出它燃烧产出烟气的毒性最强，发生火灾的时候，对人们的生命安全威胁也最大。XPS挤塑板和聚苯乙烯保温板在燃烧的时候会有滴落物，熔融后的滴落物都会燃烧，但火势不会太大，也不会有明显的蔓延现象，而酚醛板和聚氨酯材料燃烧后没有滴落物，但是火势会蔓延，从而也影响着人们的生命和财产安全。挤塑板的热释放速率和热释放量较其他的材料都更大，且到达峰值的时间短，一旦发生火灾，其潜在的轰燃危险大，现场人员逃生的时间很有限，所以在广泛运用于建筑材料中，具有潜在的重大火灾危险性。但挤塑板的质量数较其他的小，所以毒性较小，适合在施工中运用。