建筑保溫材料防火性能研究

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯建筑保溫材料防火性能研究 聚苯乙烯是一種被廣泛使用的建筑保溫材料，由于其本身具有可燃性，以聚苯乙烯為代表的有機(jī)外墻保溫隔熱材料所引起的建筑火災(zāi)，已成為一類新的火災(zāi)隱患廣受關(guān)注。因此，研究聚苯乙烯材料的燃燒性能并對此類材料進(jìn)行阻燃處理是十分有必要的。 聚苯乙烯；建筑保溫材料；防火；阻燃 建筑節(jié)能是國家節(jié)能的重要組成部分，聚苯乙烯（PS）塑料作為建筑外墻保溫材料起到了很好的節(jié)能效果13。但由于聚苯乙烯屬于有機(jī)高分子材料，極易燃燒，并會(huì)放出大量煙霧，同時(shí)產(chǎn)生熔融滴落現(xiàn)象。近些年來，我國多次發(fā)生因建筑外墻聚苯乙烯保溫材料燃燒引發(fā)的大火，如濟(jì)南奧體中心、上海膠州教師公

2、寓、北京央視新址附屬文化中心等火災(zāi)的相繼發(fā)生，表明建筑易燃可燃外保溫材料已成為一類新的火災(zāi)隱患。為了從根本上消除建筑外墻聚苯乙烯保溫材料引燃的隱患，需對聚苯乙烯進(jìn)行阻燃處理，而通過添加阻燃劑對聚苯乙烯基體進(jìn)行阻燃處理是一種行之有效的方式46。本文對聚苯乙烯進(jìn)行膨脹阻燃，并在膨脹阻燃體系的基礎(chǔ)上分別加入不同的協(xié)效劑，分析兩者協(xié)效阻燃聚苯乙烯時(shí)其性能的變化，以期為IFR在PS阻燃中的應(yīng)用提供可靠依據(jù)。 1.阻燃性實(shí)驗(yàn) 1.1實(shí)驗(yàn)材料 聚苯乙烯（PS）、聚磷酸銨（APP）、季戊四醇（PER）、硼酸鋅（ZB）、氧化鋅（ZnO）。 1.2膨脹阻燃聚苯乙烯的制備 實(shí)驗(yàn)前先把所需的材料放在70的恒溫干燥箱中

3、干燥15h以上。然后將PS置于密煉機(jī)中加熱，設(shè)置轉(zhuǎn)速80r/min，溫度170，接著按表1給出的配方表，按比例稱量所需APP、PER、ZB和ZnO，放入密煉機(jī)中與先期加熱的PS進(jìn)行熔融共混，混合20min，停機(jī)后將混料取出。最后，采用平板硫化機(jī)將密煉所得的材料在190下模壓成型，制得100mm×100mm×3mm和100mm×6.5mm×3mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。 1.3測試 （1）氧指數(shù)（LOI）測試。采用HC2型號的氧指數(shù)測試儀，按照ASTMD2863標(biāo)準(zhǔn)來采集PS復(fù)合材料的LOI值。（2）垂直燃燒（UL94）測試。采用CZF3型號的垂直燃燒測試儀，按照UL

4、94標(biāo)準(zhǔn)對PS復(fù)合材料進(jìn)行測試。（3）錐形量熱儀（CONE）測試。采用Standard型錐形量熱儀，按照ISO5660標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行火災(zāi)燃燒性能測試，熱輻射強(qiáng)度為35kW/m2。 2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 2.1氧指數(shù) 表2給出了LOI和UL94測試結(jié)果。由表2可知，PS0的LOI僅為18，極易燃燒。而PS1、PS2和PS3的LOI都有顯著提高，與純樣相比，分別提高了25%、44%和56%。值得注意的是，添加APP/PER/ZB的PS2和APP/PER/ZnO的PS3的LOI高于僅添加IFR的PS1，可見ZB或ZnO在膨脹阻燃PS中與IFR起到了協(xié)效阻燃作用，進(jìn)一步地提高了PS基體的阻燃性能。UL94測試

5、結(jié)果顯示所有樣品均未通過級別測試，但相對于純樣PS0的燃燒速率迅猛并冒出大量煙霧，且有嚴(yán)重滴落現(xiàn)象，添加有阻燃劑的PS1、PS2和PS3在燃燒時(shí)無熔融滴落產(chǎn)生，燃燒速率相對緩慢且煙氣濃度有所降低。 2.2錐形量熱儀 2.2.1熱釋放速率熱釋放速率（HRR）和熱釋放總量（THR）是評價(jià)材料熱危險(xiǎn)性的重要參數(shù)，同時(shí)熱釋放速率峰值（PHRR）對于預(yù)測材料在真實(shí)火災(zāi)場景的火勢具有重要意義78。圖1為4組樣品的熱釋放速率曲線。表3為各樣品的燃燒參數(shù)值。結(jié)合圖表可知，PS0在點(diǎn)燃之后燃燒很迅速，HRR急劇上升，有較高的PHRR值，當(dāng)在PS中添加阻燃劑后，PS1、PS2、和PS3的HRR曲線都大幅度降低，P

6、HRR都顯著降低，且總的燃燒時(shí)間都有所延長。同時(shí)THR曲線也大幅度降低，更加緩慢地趨于平衡。未添加任何阻燃劑的PS0的PHRR和THR分別為922kW/m2和90MJ/m2，比其他樣品皆高。當(dāng)加入20%總重的膨脹阻燃劑（SPP/PER）后，PS1的PHRR和THR分別降至454kW/m2和70MJ/m2，分別降低了51%和30%，釋熱特性得到了顯著的改善，這與IFR受熱脫水、催化成炭、良好分散的阻燃作用有關(guān)。在阻燃劑添加總量保持在30%總重的情況下，再加入ZB或ZnO后，PS2的PHRR和THR相比于PS0，分別降低了60%和40%，而PS3分別降低了61%和44%，可見ZB或ZnO與IFR在

7、阻燃PS過程中具有協(xié)效作用，能抑制基體的降解過程，減少熱釋放，更好地發(fā)揮阻燃作用，進(jìn)一步地改善了樣品的釋熱特性，其中氧化鋅的復(fù)配效果要好于硼酸鋅?；馂?zāi)性能指數(shù)FPI=TTI/PHRR，可以很好地表征材料在火災(zāi)中的潛在危險(xiǎn)性；火災(zāi)增長指數(shù)FGI=PHRR/T，則反映出材料著火后火災(zāi)蔓延情況。通常情況下，材料如具有較高安全等級則需要滿足高火災(zāi)性能指數(shù)和低火災(zāi)增長指數(shù)2個(gè)條件9。經(jīng)計(jì)算可得4組樣品的FPI和FGI數(shù)值，見表3。綜合火災(zāi)性能指數(shù)和火災(zāi)增長指數(shù)，可知PS3的火災(zāi)危險(xiǎn)性最小，PS2次之，再次說明ZB或ZnO與IFR在PS基體中可發(fā)揮較好的協(xié)效阻燃作用。2.2.2煙釋放速率煙釋放速率（SPR

8、）和煙釋放總量（TSP）是評價(jià)材料煙危險(xiǎn)性的重要參數(shù)9。圖2、圖3分別為4組樣品的煙釋放速率和煙釋放總量曲線。由圖可知，PS0基本保持著很高的釋煙率和總釋煙量，而添加阻燃劑的PS1、PS2和PS3釋煙率和總釋煙量均有所降低。未添加任何阻燃劑的PS0的PSPR和TSR分別為0.161m2/s和31m2，比其他樣品皆高。當(dāng)加入30%總重的膨脹阻燃劑（SPP/PER）后，PS1的PSPR和TSR分別降至0.143m2/s和28m2，分別降低了11%和9%。而在阻燃劑添加總量保持在30%總重的情況下，再加入ZB或ZnO后，PS2的PSPR和TSR分別降至0.134m2/s和26m2，相比于PS0均降低

9、了16%；PS3的PSPR和TSR分別降至0.126m2/s和24m2，均降低了22%。綜合以上結(jié)果可知，ZB或ZnO與IFR在阻燃PS過程中具有協(xié)效作用，兩者協(xié)效同時(shí)捕捉火焰自由基，中斷燃燒的鏈反應(yīng)，從而降低了聚苯乙烯內(nèi)部分子轉(zhuǎn)化為有機(jī)揮發(fā)物和懸浮顆粒，這是煙霧顆粒的主要來源。2.2.3CO釋放速率CO是煙氣中主要毒性氣體，在實(shí)際火災(zāi)中毒性氣體釋放速率對人員危害的影響最大，因此CO釋放速率也是衡量材料煙危險(xiǎn)性的重要參數(shù)1012。4組樣品的CO釋放速率曲線如圖4所示。由圖可知，PS0燃燒時(shí)，50s時(shí)CO釋放速率開始激增，100s時(shí)速率達(dá)到峰值，結(jié)合圖1，此時(shí)對應(yīng)熱釋放速率曲線HRR正在上升初始

10、階段，說明PS0在燃燒初始階段燃燒不完全，釋放出大量CO氣體，隨后CO濃度下降，燃燒完全。PS1、PS2和PS3的CO釋放速率曲線較PS0有所下降，同時(shí)CO釋放速率峰值均有所減少，而且在100250s間有一段相對平緩的平臺(tái)期，這表明阻燃劑的加入延緩了PS熱解過程，使體系分解過程產(chǎn)生的可燃?xì)怏w小分子量減少。值得注意的是，加入ZnO與IFR協(xié)效阻燃劑體系的PS3，相比僅添加IFR的PS1，CO釋放速率及其峰值進(jìn)一步地降低，說明了ZnO與IFR在阻燃聚苯乙烯過程中具有最佳協(xié)效作用，由于它們在加熱過程中裂解產(chǎn)物發(fā)生了一些物理和化學(xué)作用，形成了更加致密的膨脹炭層，抑制了氣體和熱量的轉(zhuǎn)移，延緩了燃燒反應(yīng)。 3.結(jié)論 綜上所述，相較于聚苯乙烯