多因素对改性聚苯板燃烧热值试验结果的影响分析

2021-08-14张屹东朱春玲

工程质量 2021年7期

张屹东，朱春玲

（1.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 101119；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

GB 50016－2014《建筑设计防火规范》［1］的发布实施，补充了对建筑保温系统的防火要求，对“建筑保温材料的燃烧性能”提出了严格的限制条件，要求采用燃烧性能为 A 级的保温材料。

热固复合聚苯乙烯泡沫保温板（以下简称“改性聚苯板”）作为此背景下的研发产品，在工程的保温设计中得到了广泛的应用，并且针对改性聚苯板的物理性能、保温性能、力学性能等均有一定的研究［2-9］。改性聚苯板采用阻燃型聚苯乙烯泡沫颗粒或板材为保温基体，添加一种或多种改性材料，通过颗粒包裹、粒料混合或基板渗透等工艺制成的复合保温板［10］。其实质为有机聚苯乙烯泡沫颗粒与无机浆料通过一些特殊工艺制备而成的有机-无机复合保温板。当两者的配合比达到一定的限值时，改性聚苯板的燃烧性能等级可以达到A（A 2）级。

在 GB 8624－2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》［11］对平板状制品进行 A2 级判定中，燃烧热值和单体燃烧试验（SBI）结果作为比较常用的判定方法。笔者在对不同厂家产品的试验中发现，大多数的改性聚苯板已经达到了“准不燃”的效果，撤火自熄。试验数据也表明，改性聚苯板通过 SBI 试验指标要求较容易，而在燃烧热值试验中，试验数据往往出现不均匀、不稳定的现象。首先，这与材料本身有直接的关系，生产过程中有机-无机材料混合不均匀，每次试验时有机、无机材料的比例很难达到完全一致；其次，按照现行的热值试验方法 GB/T 14402－2007《建筑材料及制品的燃烧性能燃烧热值的测定》［12］（以下简称“GB/T 14402－2007”）进行试验时多采用坩埚法，试验过程中可能会出现所谓的“炸锅”现象，添加物（苯甲酸）未完全燃烧就被溅出，试验后弹筒中仍会残留未燃烧的样品，这也是导致数据不均匀的另一个重要原因。有研究提出通过增高坩埚的高度、不在弹筒中添加蒸馏水（吸收燃烧产生的酸性气体）等方法对改性聚苯板进行热值试验，这些改进均破坏了氧弹燃烧试验时的吸热-放热环境，得到的数据也不一定准确［13］。基于此，本研究首先提出针对此类材料采用将有机-无机材料分离的方法，对有机、无机材料分别进行试验，后续再整体计算的思路，解决上述试验中出现的问题，在试验中得到了很好的应用，也保证了数据的准确性。

在日常测试及实验室间的比对中发现，针对同一种材料，不同的设备、人员、材料厂家、取样位置等因素不同，会导致试验结果出现较大的偏差，这也给判定材料是否合格带来了困难。因此，本研究在提出了试验方法及详细的试验操作细则的基础上，讨论设备因素、人员因素及厂家因素等多方面对试验结果带来的影响，试验结果可供今后实验室内、各实验室间的数据比对、偏差分析等提供数据基础。

1 试验部分

1.1 试验方法描述

采用机械手段，对改性聚苯板中的聚苯乙烯泡沫和改性材料进行分离，具体操作及试验流程如图 1 所示。分离出的无机改性材料，依旧采用坩埚法+苯甲酸进行试验；而鉴于聚苯乙烯泡沫质量轻，在试验充氧过程中会将样品吹入弹筒中影响试验结果，所以对有机泡沫采用香烟法进行试验，不添加苯甲酸，这也很好地解决了苯甲酸未燃烧完全就被溅出的问题。

图1 改性聚苯板有机-无机组份分离及试验流程图

本实验在标准要求的基础上，结合大量的试验经验，提出了较为细致的操作细则，如天平的称量、室内外环境等因素的影响、弹筒的清洗、取样的位置等。在本试验中，完全按照标准和操作细则完成，不再讨论这些因素对结果的影响。

1.2 各因素对试验结果的影响

1.2.1 试验设备对结果的影响

对同一试验人员采用两台不同生产厂家的氧弹量热计对同一样品进行测试，来讨论不同仪器设备对试验结果的影响。采用的两台氧弹量热计分别为长沙奔特仪器有限公司生产的 WGR-1 型（1#）及长沙瑞方能源科技有限公司生产的 RF-C7000P 型（2#）。根据 GB/T14402－2007 中 7.2 节的要求对两台氧弹量热计的热容量重新进行校准，采用苯甲酸作为校准物，其标准热值为 26 480 J/g，每次标准样的质量约 0.5 g，分别进行 5 次试验。以 5 次标定结果的平均值代表仪器的热容量，每次结果的偏差不得超过 0.2 %，两台仪器热容量的校准结果如表 1 所示。

表1 两台仪器热容量的校准结果

取同一样品分别采用上述两台已校准的设备进行试验，所选的样品信息如表 2 所示。

表2 样品信息

从试件的芯部取一块样品约 20 g，按照组份分离的方法试验，记录取样质量及分离后各组份质量及计算的质量比，按照质量比将分离后的无机改性材料和聚苯乙烯泡沫大致分成两份，分别采用 1#、2# 设备进行试验，信息如表 3 所示。

表3 组份分离结果

采用两台设备对无机改性材料的测试结果如表 4 所示，添加物为苯甲酸（标准热值为 26 480 J/g），点火丝热值为 3 140 J/g。

表4 两台设备对无机改性材料的测试结果

对聚苯乙烯泡沫的测试结果见表 5 所示，其中试验用香烟纸的热值为 15.05 MJ/kg。

表5 两台设备对聚苯乙烯泡沫的测试结果

对于设备 1#，按公式计算样品的总燃烧热值：

Q=0.48×0.838+7.59×0.162=1.63 MJ/kg

对于设备 2#，按公式计算样品的总燃烧热值：

Q=0.42×0.838+7.45×0.162=1.56 MJ/kg

通过两台设备对同一样品的测试结果可以看出，1# 设备试验结果为 1.63 MJ/kg，2# 设备试验结果为1.56 MJ/kg，结果偏差 0.07 MJ/kg，小于标准要求的偏差 0.2 MJ/kg，两个结果均可以满足 A2 级对热值的要求（≤3.0 MJ/kg）。所以不同的设备对样品测试结果影响可以忽略不计，但必须要求的是，如果进行设备对比之前，必须将设备的热容量重新进行校准，并且满足偏差的要求。

1.2.2 试验人员对结果的影响

本次对比针对不同试验人员，采用同一台试验设备，对同一样品进行试验。试验人员均可独立按照标准完成试验，除了解 GB/T 14402－2007 标准规定的试验步骤外，还需学习试验室针对氧弹试验的操作细则，其中规定了操作的细节，如：试验环境、称量、试验后弹筒清洗等控制。采用1#设备进行试验对比，其热容量为 9 504.5 J/K。同样，采用与之前相同批次的香烟纸，苯甲酸及点火丝等。板材采用某厂家提供的密度较低的聚合聚苯板（标称密度约 80 kg/m3），之所以选择低密度板材，原因有两个：第一，产品标准 JG/T 536－2017《热固复合聚苯乙烯泡沫保温板》中，对中密度（50～140 kg/m3）板材的燃烧性能未进行规定，通过燃烧热值初步判断一下其性能；第二，某检测报告显示，此产品可以通过燃烧性能 A2 级的要求，通过试验，进一步进行校验，并说明对于已校准的仪器，不同的操作人员对结果是否会有很大影响。其板材的基本信息如表 6 所示。

表6 样品信息

从试件的芯部取一块样品约 16 g，按照组份分离的方法试验，记录取样质量及分离后各组份质量及计算的质量比，按照质量比将分离后的无机改性材料和聚苯乙烯泡沫大致分成两份，分别提供给 1#、2# 试验人员进行试验，信息如表 7 所示。

表7 组份分离结果

两位试验人员独立操作，得到的无机改性材料及聚苯乙烯泡沫的试验结果如表 8 和表 9 所示。

表8 两位试验人员对无机改性材料的测试结果

表9 两位试验人员对对聚苯乙烯泡沫的测试结果

1# 试验人员，按公式计算样品的总燃烧热值：

Q=-0.30×0.673+26.05×0.327=8.32 MJ/kg

2# 试验人员，按公式计算样品的总燃烧热值：

Q=-0.27×0.673+25.67×0.327=8.21 MJ/kg

通过采用同一设备对同一样品的测试结果可以看出，1# 试验人员的试验结果为 8.32 MJ/kg，2# 试验人员的试验结果为 8.21 MJ/kg，结果偏差 0.11 MJ/kg，此偏差对于较高热值的样品，试验结果可认为是平行结果，从此说明不同的操作人员对试验结果的影响不大。但需提前进行规定，包括对标准步骤的熟悉及对此试验细则必须充分掌握，并熟记于心。在日常的研究试验中发现，室内外环境的变动（比如晴天和阴天导致室内微环境的变化）、天平预热时间及稳定性会对称量结果产生影响、洗涤弹筒时采用温水及冷水对后续的结果均会有一定的影响等，所以不同的试验人员必须严格按照操作细则来完成试验，才可以降低人员造成的试验误差。

从这两个结果还可以看出，8.32 MJ/kg 和 8.21 MJ/kg结果均不能满足 A2 级对热值的要求（≤3.0 MJ/kg），并且相差比较多。由于本次试验采用样板的密度为 83 kg/m3，从样板的成型工艺上看，无机改性材料相对较少，泡沫所占比例相对较大，且无机改性材料未包覆泡沫表面。从试验结果可以看出，分离出的泡沫颗粒热值较大，最终导致样板整体的热值较大。所以较低密度的改性聚苯板的热值是限制其通过燃烧性能 A2 级的重要因素，如何保证密度较低，仍可以通过 A2 级热值要求，是一个重要的研究课题，这也是 JG/T 536－2017《热固复合聚苯乙烯泡沫保温板》也未对标称密度在 50～140 kg/m3范围内的样品的燃烧性能进行说明的原因。

1.2.3 不同厂家同一标称密度对结果的影响

本次对比针对不同生产厂家标称密度相同的板材进行试验，采用同一台试验设备（1#）进行。挑选不同厂家两种标称密度（180 kg/m3和 140 kg/m3）的板材进行试验比对。仪器热容量为 9 504.5 J/K，采用与之前相同批次的香烟纸，苯甲酸及点火丝等。对标称密度为板材 180 kg/m3的板材（测量密度分别为 186.4 kg/m3和 182.2 kg/m3），其热值测试结果分别为 2.53 MJ/kg和 1.90 MJ/kg，均可以满足燃烧性能 A2 级热值的要求（≤3.0MJ/kg），但也可看出，对于同样是标称密度 180 kg/m3的板材，两者热值结果相差 0.63 MJ/kg，可以说明这完全是两个独立的结果。在此讨论一下标称密度为 140 kg/m3的试验结果，其板材的基本信息如表 10 所示。

表10 样品信息

从两组试件的芯部各取一块样品，按照组份分离的方法试验，记录取样质量及分离后各组份质量及计算的质量比，两个厂家板材分离结果如表 11 所示。

表11 组份分离结果

对得到的无机改性材料及聚苯乙烯泡沫的分别进行测试，试验结果见表 12 和表 13。

表12 两个生产厂家无机改性材料的测试结果

表13 两个生产厂家聚苯乙烯泡沫的测试结果

从无机改性材料及聚苯乙烯泡沫热值测试结果看，两个厂家不同组份的热值相差较大。对其整体热值进行计算如下。

1# 厂家板材，按公式计算样品的总燃烧热值：

Q=0.51×0.754+7.61×0.246=2.26 MJ/kg

2# 厂家板材，按公式计算样品的总燃烧热值：

Q=-0.29×0.668+16.07×0.332=5.14 MJ/kg

从结果看，标称密度为 140 kg/m3的不同厂家板材整体热值差别较大，并且可看出，1# 厂家板材可通过燃烧性能 A2 级对热值的要求（≤3.0 MJ/kg），但 2# 厂家板材不能通过。从组份组成的比例上看，2# 厂家聚苯乙烯泡沫占比较大；从热值结果上看，无机组份明显不同，取两个厂家的无机组份进行 X 射线衍射（XRD）试验，厂家1#主要成分为碳酸钙（CaCO3），而厂家 2# 主要成分为含镁系的无机改性材料；从产品的施工工艺上看，1# 板材无机组份包裹聚苯泡沫颗粒表面（颗粒包裹型），而 2# 板材表面无明显包裹，无机改性材料通过基板渗透形成最终的板材成品，这也是导致有机泡沫组份热值差别的原因。综合来讲，不同厂家板材的生产工艺、组份材料、材料比例均会有明显的不同，尤其对于较低密度（标称 140 kg/m3左右）的板材，在检测及工程应用中需要谨慎对待，不可将密度作为判定其燃烧性能的唯一依据。