石墨聚苯乙烯保温板与传统聚苯板燃烧性能对比分析*

2022-12-01欧阳的华晏皓昱郭志勇姜涛刘成奎

工业安全与环保 2022年8期

欧阳的华晏皓昱郭志勇姜涛刘成奎

（1.西安建筑科技大学资源工程学院，西安 710055；2.青海省建筑建材科学研究院有限责任公司，西宁 810008；3.青海省高原绿色建筑与生态社区重点实验室，西宁 810008）

0 引言

自20世纪80年代以来，国家提出建筑节能降耗由50%变为65%，北京、天津、新疆等地区在居住建筑方面已经开始执行节能75%的标准。公共及住宅建筑均要求采取节能设计及采用节能保温材料［1］，外墙保温材料的研发与使用是解决节能减排的问题的有效途径之一。可发性聚苯乙烯（EPS）泡沫板具备良好的保温性能，被广泛用作外墙保温材料。普通EPS泡沫板遇火剧烈燃烧，产生大量浓烟和有毒气体，直接使用会导致严重的安全隐患［2］，石墨聚苯板（SEPS）是在原料上通过添加一定质量的石墨添加剂改性制成的模塑聚苯板乙烯泡沫塑料板材。相比于传统聚苯乙烯保温板，石墨聚苯板具有出色的保温性能，同时因添加石墨阻燃剂，具备一定的热反射能力，能够起到良好的阻燃效果［3］。因此，石墨聚苯板具有良好的市场应用前景。

目前，国内外有关建筑外墙保温材料的燃烧特性研究如下：MENG Q X等［4］对挤出聚苯乙烯（XPS）泡沫塑料的火焰传播特性进行分析，分别对火焰形状、火焰高度、温度场和传热进行了分析；TU R等［5］分析了聚合物柔性聚氨酯（FPU）在火灾情况下的火焰倾角、火焰长度、蔓延速度、燃烧速率等；MA X等［6-8］对柔性聚氨酯（FPU）在低压低氧环境下的火焰传播速度、燃烧速率和火焰高度等特征参数开展研究；UYGUNOGLU T等［9］研究了在抹灰厚度不同的情况下，挤塑聚苯乙烯（XPS）、发泡聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）和岩棉（RW）3种保温材料的保温性能和火灾燃烧特性；姜连瑞等［10］对模塑聚苯乙烯板（EPS）、挤塑聚苯乙烯板（XPS）和岩棉进行不燃性试验、难燃性试验、烟密度试验、氧指数试验和可燃性试验；章炜等［11］对不同气氛下的模塑聚苯乙烯泡沫展开热解动力学研究；桑颖慧［12］对6个不同厂家生产的EPS板、SEPS板、热固性EPS板的主要物理性能进行了研究；张苗等［13］采用锥形量热仪对岩棉、模塑聚苯乙烯（EPS）等6种外墙保温材料燃烧性能进行研究，并对其火灾危险性进行排序：XPS>RPU>EPS>胶粉聚苯颗粒>酚醛>岩棉；孙诗兵等［14］采用热失重分析仪和影像式烧结点试验仪对石墨模塑聚苯板的受热行为进行分析；宋红旗［1］对石墨聚苯板的保温性能、导热系数、外形尺寸稳定性开展试验分析，结果表明改性石墨保温板具有优异的保温性能。由此可知，国内外对外墙保温材料的燃烧特性开展了大量研究，但对石墨聚苯板的燃烧特性、火灾危险性的研究较少，而其燃烧性能直接关系到它能否应用于建筑市场。

为此，笔者将以石墨聚苯板（SEPS）和传统聚苯板（EPS）为研究对象，采用锥形量热仪，对两者的燃烧特性参数进行对比分析，并对材料的火灾危险性进行评测及比较，以期为石墨聚苯板（SEPS）的实际应用提供基础数据与理论依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

传统聚苯板（EPS）、热固性聚苯板（TPS），产品规格为1 200 mm×600 mm×30 mm，具体的性能参数见表1。

表1 试样材料性质

1.2 实验过程

按照ISO 5660的标准，将样品加工成100 mm×100 mm×30 mm的方块，样品采用0.025 mm的铝箔三面包装，铝箔高度与上表面平齐并超出试样上表面3 mm［15］（如图1所示）。材料因受热融化，导致铝箔纸受燃烧盒的盒盖重力作用而变形，故将燃烧盒盒盖用支架固定（如图2）。设置辐射照度为35 kW/m2，调节排气流量为（0.024±0.002）m3/s，达到平衡后开始实验。

2 结果与讨论

2.1 不同材料点燃时间对比分析

表2是不同聚苯板的燃烧参数。点燃时间（Total Ignition Time，TTI）指从材料表面受热到表面持续出现燃烧时所用的时间，可用来评估和比较材料的耐火性能［16］。由表2可知，因SEPS引入了高熔点石墨，提高了苯乙烯的熔化温度并延长了苯乙烯的熔化时间，在相同的热辐射强度下，SEPS的点燃时间在350 s左右，明显滞后于EPS。一般情况下，点燃时间越长，则材料的耐火性越好，即SEPS的耐火性优于EPS。

表2 不同聚苯板的燃烧参数

续表2

2.2 不同材料火灾性能参数对比分析

火灾增长指数FGI（Fire Growth Index）表示了材料对热的反应能力，当周围温度越高，材料受热火势蔓延迅速越快。FGI指数越大，则材料的火灾危险性越大，如式（1）所示：

式中，FGI为火灾增长指数，kW/（m2·s）；Tp为峰值热释放速率出现的时间，s；p-HRR为峰值热释放速率，kW/m2。

放热指数THRI6min（TimeHeatReleaseIndex）表示材料在6 min内的放热量总和。THRI6min指数越大，表明材料在指定时间内受热损害越严重［17］，如式（2）所示：

式中，括号内乘积表示材料在6 min内燃烧的总放热量，单位为MJ/m2。

火灾性能指数FPI（Fire Performance Index）可表征轰然时间的长短。轰燃时间的长短对人员逃生及消防救援具有重要的作用，FPI指数越大火焰爆发越迟缓，如式（3）所示：

式中，FPI为火灾性能指数，（s·m2）/kW；TTI为点燃时间，s；p-HRR为峰值热释放速率，kW/m2。

总热释放量THR（Total Heat Release）为材料在实验过程中所释放的热量总和，热释放量越大，材料潜在的火灾热危险越大。

结合表2得到的数值，通过观察这6组实验数据，决定采用试样的中间数据（即EPS-2与TPS-2）作为分析数据。计算火灾性能参数，如表3所示。

表3 不同聚苯板火灾性能参数

由表3可知，SEPS的火灾增长指数FGI、放热指数THRI6min和总热释放量THR均低于EPS，说明SEPS受热损害较轻，材料潜在的火灾热危险性小。其次，SEPS的火灾性能指数FPI远高于EPS，说明材料不易发生轰燃，具有较好的火灾安全性。

2.3 不同材料热释放速率对比分析

图3是不同聚苯板的热释放速率曲线，热释放速率HRR（Heat Release Rate）是指单位面积热释放量的大小，可作为材料火灾性能的重要参数之一。从图3可以看出SEPS和EPS的热释放速率峰值分别为157.01 kW/m2和273.41 kW/m2，热释放速率峰值越大，材料剧烈燃烧时放热量越大，火灾危险性越大；此外，SEPS的燃烧持续时间长于EPS，这是由于SEPS添加石墨改性剂，在一定程度上反射热量，其次，SEPS在燃烧过程中在表面形成保护层阻碍热传递，内部熔融物无法与空气充分接触，从而达到阻燃的效果。

观察图3，可以发现SEPS和EPS的热释放速率曲线趋势一致。具体表现为3个阶段：①裂解阶段。材料受热不断融化，裂解释放出可燃性气体，当气体浓度值达到一定时，样品被点燃。②燃烧阶段。热释放速率急剧上升到达峰值，当燃烧速度大于内部聚合物的分解速度时，热释放速率开始缓慢下降。③火焰熄灭。样品热释放速率逐渐降低为零。

2.4 不同材料质量损失速率对比分析

图4（a）为不同聚苯板的质量损失速率，质量损失速率MLR（Mass Loss Rate）是材料在一定火强度下的热裂解、挥发及燃烧程度的体现。观察图4（a）可以发现2种材料的质量损失速率曲线趋势与热释放速率曲线趋势（图3）较为一致。图4（b）为两种材料的质量损失曲线，点火器点火后5 s内，材料受热迅速失重，失重占比分别为11.75%和28.03%，这是热塑性保温材料受热后的普遍现象，即受热易融化。相比于EPS，SEPS平均质量损失为0.007 4 g/s，仅为EPS的3/5，这是因为SEPS由于石墨的掺杂，在试样表面形成一层保护层，阻碍了底层熔融聚合物与表面的热传递［18］。

2.5 不同材料烟气特性对比分析

生烟速率SPR（Smoke Produce Rate）表示样品生烟量随时间的变化率，与总生烟量TSR（Total Smoke Rate）一起可表征样品在燃烧过程中的生烟能力。图5（a）为2种材料的生烟速率，EPS、SEPS生烟速率曲线图出现明显波峰，燃烧过程中生烟速率陡升、总生烟量剧增。图5（b）为2种材料的总生烟量，可以看出2种材料在燃烧过程中生烟量增加最快，其总生烟量SEPS

2.6 不同材料耗氧量对比分析

锥形量热仪的起始氧气体积分数为20.95%，在耗氧量曲线中，波谷越深表示耗氧量越大，燃烧也越剧烈。不同聚苯板的耗氧量曲线如图6所示，EPS、SEPS的最低波谷值分别为19.70%、20.23%。其中EPS的波谷较大，说明其在燃烧过程中耗氧量巨大，燃烧最为剧烈，SEPS的波谷较小，说明SEPS的不燃性较好。

图7为EPS和SEPS燃烧后的残炭形态。EPS燃烧后残炭呈现粉末状粘贴在锡箔纸底部，燃烧较为完全，部分锡箔纸裸露在空气当中；SEPS残炭较脆，在锡箔纸表面形成完整而均匀的炭层，且易从锡箔纸上脱落。