基于层次分析法的挤塑聚苯板 燃烧性能评价体系研究

朱光伟 赵静波 洪川 马凯 王钧楠 王宏辉

摘要：本文在单体燃烧试验方法（SBI）、锥形量热仪法、极限氧指数法对不同密度及不同阻燃剂含量的聚苯乙烯保温材料燃烧性能试验的基础上，构建了聚苯乙烯保温材料燃烧性能评价体系，并应用层次分析法确定指标的权重，对密度及阻燃剂含量对其燃烧性能的影响进行了综合评价。该评价体系对分析聚苯乙烯保温材燃烧性能的密度及阻燃剂含量对其燃烧行为影响具有重要指导意义。

关键词：层次分析法;聚苯乙烯保温材料;燃烧性能

随着建筑墙体保温材料在建筑热工节能领域的广泛应用，其墙体保温材料的优劣问题日渐成为社会关注的热点。

目前建筑保温材料大致有有机材料、无机材料、复合材料等几种形式[1]，而有机保温材料，具有成本低、保温效果好、施工简便的优势，是目前建筑外保温使用的主要方式。聚苯乙烯保温材料作为有机保温材料的一种，因具有导热系数小、质轻、价廉、吸水性小、防潮等优点，成为墙体主要保温材料之一。在已建成及目前新建的节能建筑中，有很大一部分建筑的墙体及屋顶中使用了这种保温材料。然而，聚苯乙烯保温材料极易着火且火蔓延速度快，一旦发生火灾容易造成较大的财产损失，具有很高的火灾危险性。每年国内外因聚苯乙烯保温材料火灾，造成的人员伤亡及财产损失，时有发生。因此，对聚苯乙烯材料特别是其燃烧行为进行研究显得尤为重要。

聚苯乙烯保温材料因其密度系列的不同，阻燃添加剂的添加，对不同密度材料的燃烧性能势必有不同的影响关系。而阻燃剂在保温材料中的添加量也并非越多越好，一方面阻燃剂作为聚苯乙烯保温材料中价格最高的组分，增加阻燃剂的添加量，必然提高产品的成本，另外，阻燃剂虽能降低聚苯乙烯保温材料燃烧的风险，但一旦发生火灾，阻燃剂添加越多，其产生的烟气及毒性也越大。目前聚苯乙烯保温材料燃烧性能的检测方法主要为单体燃烧试验方法（SBI）[2]、锥形量热仪法[3]、极限氧指数法，对于不同密度、不同阻燃剂含量的聚苯乙烯材料的燃烧性能评价应该是一个综合、全面的评价，不能片面的单从一种方法、一两个参数指标来对聚苯乙烯保温材料的燃烧性能評价。本文采用标准层次分析法（AHP）来构建对聚苯乙烯保温材料燃烧性能评价体系，通过评价燃烧性能的三种试验各项指标权重，对研究密度和阻燃剂含量对聚苯乙烯保温材料燃烧性能行为更加客观、合理。

一、层次分析法

层次分析法[4]（Analytic Hierarchy Process）是由美国运筹学家萨蒂（T. L. Saaty）最早提出的一种定性和定量相结合的、系统的、层次化的决策分析方法，是在对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入研究的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法，是对难以完全定量的复杂系统做出决策的模型和方法。它根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同的层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型，从而最终使问题归结为最低层（供决策的方案、措施等）相对于最高层（总目标）的相对重要权值的确定或相对优劣次序的排定。

（一）评价体系建立

目标层聚苯乙烯保温材料燃烧性能评价体系，根据不同燃烧性能试验方法分为单体燃烧、极限氧指数、热释放速率，这三种试验方法作为准则层一级指标，将细分燃烧增长速率指数、火焰横向蔓延长度、600s内的总是放热量、氧指数、单位面积放热总量、单位面积前180s热释放速率平均值、单位面积前300s热释放速率平均值、单位面积热释放速率峰值等8个二级指标[5]，结合不同类型聚苯乙烯保温材料试验数据组织专家进行评分，燃烧性能评价体系和评分标准如表1所示。

（二）层析分析计算公式

由于1-9尺度存在着难以确定专家和决策者的真实感觉和判断、不满足传递性原则，容易引起权重失真等缺陷，已不适用于多个准则层[6]，所以本文采用1-1.56尺度，如表2所示。

1.判断矩阵

比较判断矩阵 ：A=（aij）nxn，aij>0，aji=aji=1/aij

其中aij为Bi和Bj对总目标层A的影响之比或Ci和Cj对准则层B的影响之比。

随机地从1，1.5…1.56，1.5-6，1.5-4…1中取值，作为矩阵上三角元素，对角主元素取1，下三角取对称元素的倒数，得到随机互反矩阵。

2.指标权重

目标层B对于总目标层A重要性的权重集（特征向量）为：

指标层C对于准则层B重要性权重集（特征向量）为：

指标层C相对于总目标的组合权向量为：

3.一致性检验

一致性检验指标，其中，为最大特征值，为判断矩阵的阶数，为平均随机一致性指标，当时，即认为具有满意的一致性，否则，需要调整判断矩阵，使其满足一致性。

（三）层次分析结果

按照上述步骤，并应用matlab计算，得到各项指标的判断矩阵和权重及一致性检验如下：

二、讨论

试样样品采用五种相同厚度，不同密度，不同阻燃添加剂含量的挤塑式聚苯乙烯隔热保温板[7]，分别记为M01、M02、M03、M04、M05，四种不同样品的特性为：

试验样品测试基本数据为：

通过指标评价体系计算得到试样M01总评分为0.901，M02总评分为2.866， M03总评分为7.219，M04总评分为7.377，M05总评分为8.400，总评分分值越高阻燃性能越好，通过比较我们得到，试样M01、M02、M03密度相同，阻燃剂添加上M01、M02、M03依次递增，说明阻燃剂添加越多阻燃性能也就越好;试样M03与M04都添加相同含量的阻燃剂，M04密度比M03大，说明密度大的阻燃性能越好，MO5密度最小，但阻燃剂添加最多，说明阻燃剂含量对燃烧行为影响比密度本身要大得多。

三、结语

本文通过建立了一种层次分析法的聚苯乙烯保温材料燃烧性能评价体系，包含3个一级指标和8个二级指标，对各个指标进行了权重确认，并结合实验值，邀请专家进行打分，通过计算对每种保温材料进行了燃烧性能的量化评价，最后的量化总评分证明密度越大，阻燃剂含量越高，聚苯乙烯保温材料的燃烧性能也越好，但这两个影响因素中，后者的作用要远大于前者。

参考文献：

[1]杨杰.建筑外墙外保温技术体系发展分析[J].山东建筑大学学报，2010，25（01）：70-73.

[2]何郁文，国外建筑材料燃烧热释放研究现状及试验方法综述[J].消防技术与产品信息，1991（3）：27-28.

[3]Sanchez-Olivares G，Sanchez-Solis A，Camino G，et a1.Study on the combustion behavior of high impact polystyrene nanocomposites produced by different extrusion processes[J].Express Polymer Letters，2008，2：569-578.

[4][美]Saaty T L.层次分析法[M].许树柏译.北京：煤炭工业出版社，1988.

[5]付强，王超，郭亮.基于层次分析法的电缆燃烧性能综合指标评价体系[J].火灾科学，2012.

[6]朱光伟，吴迪冲 基于层次分析法的供应商评价模型的研究[J].计算机应用研究，2004，21（4）：90-94.

[7]龚娜.软质聚氨酯泡沫塑料燃烧性能及火灾危险性分析[D].西南交通大学，2011.