建筑保温材料防火性能研究

【摘要】聚苯乙烯是一种被广泛使用的建筑保温材料，由于其本身具有可燃性，以聚苯乙烯为代表的有机外墙保温隔热材料所引起的建筑火灾，已成为一类新的火灾隐患广受关注。因此，研究聚苯乙烯材料的燃烧性能并对此类材料进行阻燃处理是十分有必要的。

【关键词】聚苯乙烯；建筑保温材料；防火；阻燃

建筑节能是国家节能的重要组成部分，聚苯乙烯（PS）塑料作为建筑外墙保温材料起到了很好的节能效果［1-3］。但由于聚苯乙烯属于有机高分子材料，极易燃烧，并会放出大量烟雾，同时产生熔融滴落现象。近些年来，我国多次发生因建筑外墙聚苯乙烯保温材料燃烧引发的大火，如济南奥体中心、上海胶州教师公寓、北京央视新址附属文化中心等火灾的相继发生，表明建筑易燃可燃外保温材料已成为一类新的火灾隐患。为了从根本上消除建筑外墙聚苯乙烯保温材料引燃的隐患，需对聚苯乙烯进行阻燃处理，而通过添加阻燃剂对聚苯乙烯基体进行阻燃处理是一种行之有效的方式［4-6］。本文对聚苯乙烯进行膨胀阻燃，并在膨胀阻燃体系的基础上分别加入不同的协效剂，分析两者协效阻燃聚苯乙烯时其性能的变化，以期为IFR在PS阻燃中的应用提供可靠依据。

1.阻燃性实验

1.1实验材料

聚苯乙烯（PS）、聚磷酸铵（APP）、季戊四醇（PER）、硼酸锌（ZB）、氧化锌（ZnO）。

1.2膨胀阻燃聚苯乙烯的制备

实验前先把所需的材料放在70℃的恒温干燥箱中干燥15h以上。然后将PS置于密炼机中加热，设置转速80r/min，温度170℃，接着按表1给出的配方表，按比例称量所需APP、PER、ZB和ZnO，放入密炼机中与先期加热的PS进行熔融共混，混合20min，停机后将混料取出。最后，采用平板硫化机将密炼所得的材料在190℃下模压成型，制得100mm×100mm×3mm和100mm×6.5mm×3mm的标准试样。

1.3测试

（1）氧指数（LOI）测试。采用HC-2型号的氧指数测试仪，按照ASTMD2863标准来采集PS复合材料的LOI值。（2）垂直燃烧（UL-94）测试。采用CZF-3型号的垂直燃烧测试仪，按照UL-94标准对PS复合材料进行测试。（3）锥形量热仪（CONE）测试。采用Standard型锥形量热仪，按照ISO5660标准进行火灾燃烧性能测试，热辐射强度为35kW/m2。

2.实验结果与分析

2.1氧指数

表2给出了LOI和UL-94测试结果。由表2可知，PS0的LOI仅为18，极易燃烧。而PS1、PS2和PS3的LOI都有显著提高，与纯样相比，分别提高了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高于仅添加IFR的PS1，可见ZB或ZnO在膨胀阻燃PS中与IFR起到了协效阻燃作用，进一步地提高了PS基体的阻燃性能。UL-94测试结果显示所有样品均未通过级别测试，但相对于纯样PS0的燃烧速率迅猛并冒出大量烟雾，且有严重滴落现象，添加有阻燃剂的PS1、PS2和PS3在燃烧时无熔融滴落产生，燃烧速率相对缓慢且烟气浓度有所降低。

2.2锥形量热仪

2.2.1热释放速率热释放速率（HRR）和热释放总量（THR）是评价材料热危险性的重要参数，同时热释放速率峰值（PHRR）对于预测材料在真实火灾场景的火势具有重要意义［7-8］。图1为4组样品的热释放速率曲线。表3为各样品的燃烧参数值。结合图表可知，PS0在点燃之后燃烧很迅速，HRR急剧上升，有较高的PHRR值，当在PS中添加阻燃剂后，PS1、PS2、和PS3的HRR曲线都大幅度降低，PHRR都显著降低，且总的燃烧时间都有所延长。同时THR曲线也大幅度降低，更加缓慢地趋于平衡。未添加任何阻燃剂的PS0的PHRR和THR分别为922kW/m2和90MJ/m2，比其他样品皆高。当加入20%总重的膨胀阻燃剂（SPP/PER）后，PS1的PHRR和THR分别降至454kW/m2和70MJ/m2，分别降低了51%和30%，释热特性得到了显著的改善，这与IFR受热脱水、催化成炭、良好分散的阻燃作用有关。在阻燃剂添加总量保持在30%总重的情况下，再加入ZB或ZnO后，PS2的PHRR和THR相比于PS0，分别降低了60%和40%，而PS3分别降低了61%和44%，可见ZB或ZnO与IFR在阻燃PS过程中具有协效作用，能抑制基体的降解过程，减少热释放，更好地发挥阻燃作用，进一步地改善了样品的释热特性，其中氧化锌的复配效果要好于硼酸锌。火灾性能指数FPI=TTI/PHRR，可以很好地表征材料在火灾中的潜在危险性；火灾增长指数FGI=PHRR/T，则反映出材料着火后火灾蔓延情况。通常情况下，材料如具有较高安全等级则需要满足高火灾性能指数和低火灾增长指数2个条件［9］。经计算可得4组样品的FPI和FGI数值，见表3。综合火灾性能指数和火灾增长指数，可知PS3的火灾危险性最小，PS2次之，再次说明ZB或ZnO与IFR在PS基体中可发挥较好的协效阻燃作用。2.2.2烟释放速率烟释放速率（SPR）和烟释放总量（TSP）是评价材料烟危险性的重要参数［9］。图2、图3分别为4组样品的烟释放速率和烟释放总量曲线。由图可知，PS0基本保持着很高的释烟率和总释烟量，而添加阻燃剂的PS1、PS2和PS3释烟率和总释烟量均有所降低。未添加任何阻燃剂的PS0的PSPR和TSR分别为0.161m2/s和31m2，比其他样品皆高。当加入30%总重的膨胀阻燃剂（SPP/PER）后，PS1的PSPR和TSR分别降至0.143m2/s和28m2，分别降低了11%和9%。而在阻燃剂添加总量保持在30%总重的情况下，再加入ZB或ZnO后，PS2的PSPR和TSR分别降至0.134m2/s和26m2，相比于PS0均降低了16%；PS3的PSPR和TSR分别降至0.126m2/s和24m2，均降低了22%。综合以上结果可知，ZB或ZnO与IFR在阻燃PS过程中具有协效作用，两者协效同时捕捉火焰自由基，中断燃烧的链反应，从而降低了聚苯乙烯内部分子转化为有机挥发物和悬浮颗粒，这是烟雾颗粒的主要来源。2.2.3CO释放速率CO是烟气中主要毒性气体，在实际火灾中毒性气体释放速率对人员危害的影响最大，因此CO释放速率也是衡量材料烟危险性的重要参数［10-12］。4组样品的CO释放速率曲线如图4所示。由图可知，PS0燃烧时，50s时CO释放速率开始激增，100s时速率达到峰值，结合图1，此时对应热释放速率曲线HRR正在上升初始阶段，说明PS0在燃烧初始阶段燃烧不完全，释放出大量CO气体，随后CO浓度下降，燃烧完全。PS1、PS2和PS3的CO释放速率曲线较PS0有所下降，同时CO释放速率峰值均有所减少，而且在100~250s间有一段相对平缓的平台期，这表明阻燃剂的加入延缓了PS热解过程，使体系分解过程产生的可燃气体小分子量减少。值得注意的是，加入ZnO与IFR协效阻燃剂体系的PS3，相比仅添加IFR的PS1，CO释放速率及其峰值进一步地降低，说明了ZnO与IFR在阻燃聚苯乙烯过程中具有最佳协效作用，由于它们在加热过程中裂解产物发生了一些物理和化学作用，形成了更加致密的膨胀炭层，抑制了气体和热量的转移，延缓了燃烧反应。

3.结论

综上所述，相较于聚苯乙烯纯样，掺加阻燃剂的三个样品的阻燃性能有显著提高。PS3样品，即70%聚苯乙烯+28%膨胀阻燃剂（APP∶PER=3∶1）+2%氧化锌的阻燃性能最佳，能够有效控制温度的急速上升、烟气毒性和大量烟气的释放。在火灾现场中，此种建筑保温材料可降低火灾危险性。

作者：陈基 单位：中国建筑东北设计研究院有限公司