热固性与热塑性聚苯乙烯类保温材料燃烧特性对比及其应用研究

1 前言

目前，我国建筑能耗约占全社会总能耗的三分之一，建筑节能越来越受到人们的关注和重视。随着建筑外墙保温体系的推广，建筑外墙保温的火灾隐患给社会带来震撼，相关部门从社会安全角度，发布了新版国标GB50016-20014《建筑设计防火规范》，试图提高建筑保温材料的阻燃性能，来解决保温市场的安全防火问题。

有机绝热材料是实现建筑节能的最根本、最重要的材料。聚苯乙烯泡沫板因质轻、导热系数小、吸水率低等诸多优点而备受保温材料界的重视。但是传统的聚苯乙烯板存在诸多缺陷。首先，传统聚苯乙烯板属易燃材料，虽然加入阻燃剂可提高其阻燃性，但随着阻燃剂的挥发，保温板阻燃性能会下降。其次，传统的EPS板、XPS板、SEPS板属于热塑性材料，遇火攻击后收缩、熔化、流淌，火灾蔓延速度快，过火面积大，难以扑救，且燃烧释放烟雾，人体吸入易造成伤亡。

目前市场以可发聚苯乙烯颗粒为主要原料，通过对颗粒表面进行防火涂层处理，制成以防火涂层为连续相，以聚苯乙烯颗粒为分散相，具有热固性材料特点的改性聚苯板，引起市场越来越广泛地关注。本文对比了热固性与热塑性类聚苯乙烯保温板的燃烧特性，并对其在外墙外保温领域的应用进行了研究，为建筑工程实际应用提供理论依据。

2 定义

2.1 热固性塑料

第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应一交链固化而变硬，这种变化是不可逆的，此后，再次加热时，已不能再变软流动了。

2.2 热塑性塑料

在一定的温度条件下，塑料能软化或熔融成任意形状，冷却后形状不变；这种状态可多次反复而始终具有可塑性，且这种反复只是一种物理变化。

2.3 燃烧特性指数（CPI）

衡量匀质有机材料或匀质有机与无机复合材料在遇火燃烧后其形状保持完好程度的指标，其结果说明该材料能有效地阻止火源将其全部烧穿或导致火焰继续蔓延的态势。

3 试验

3.1 试验仪器及材料

试验使用的主要仪器包括南京上元的建材可燃性试验炉，型号为FCK-2；上海精天的游标卡尺、钢直尺等。

试验使用的主要材料包括EPS板、XPS板、SEPS板和TPS板各3块，尺寸规格为长×宽×厚为250mm×90mm×30mm。

3.2 试验方法

按照GB/T8626标准中表面点火方法进行30s的燃烧试验。

3.2.1 烧损深度与收缩深度

将试验后的试样在烧损中心部位沿长度轴线方向切开成两半，然后采用游标卡尺在裁切面上破坏最严重处进行测量，收缩深度为卡尺最低处刚好与碳化层（或试样残渣）接触时的读数。烧损深度为卡尺最低处至被烧损破坏与未破坏分界线处的读数；若试样被烧穿，烧损深度即为试样厚度，取三块试验样板的6个测量数据的平均值作为收缩深度H收缩和烧损深度H烧损测量结果如图1所示。

图1 收缩深度和烧损深度示意图

3.2.2 结果处理

燃烧特性指数CPI按式（1）计算，计算结果精确至0.01。

4 结果与讨论

CPI衡量匀质有机材料在遇火燃烧后其形状保持完好程度的指标，其结果说明该材料能有效的阻止火源将其全部烧穿或导致火焰继续蔓延的态势，其值越小，则阻止烧穿、火焰蔓延效果越好，防火安全性越高，不同聚苯乙烯保温板燃烧特性测试情况见表1。

表1 不同保温板燃烧特性测试结果

由表1可知：以EPS、SEPS、XPS板为代表的热塑性聚苯乙烯板燃烧时，30mm的保温板在25s内保温板即已烧穿如图2所示，并伴有熔融、滴落、二次燃烧现象，烧损深度和收缩深度均等于保温板厚度，CPI为1.00，XPS板燃烧过程中还伴有大量的浓烟产生。TPS板受火时，保温板在受火部位出现炭化现象，无烧穿和熔融滴落物产生，CPI仅为0.10如图2所示，燃烧特性指数越低说明该材料能有效地阻止火源将其全部烧穿或导致火焰继续蔓延的态势越好，防火安全性越好。因此，相比热塑性聚苯乙烯保温板，TPS板具有更优异的防火安全性。这主要由于热固性改性聚苯板板采用全新的防火隔离分仓颗粒的慨念，运用共聚改性使EPS单体颗粒具有与防火物质相同的特征，并运用微相复合技术在每个有机颗粒表面形成防火隔离膜，使每一个颗粒形成相对独立的有机颗粒防火单元，遇火焰形成断热阻隔连续蜂窝状结构，阻隔火焰传播和穿透，杜绝燃烧的发生。

图2 不同保温板燃烧特性指数测试结果正面图

5 应用研究

目前，外墙外保温体系中，最有效的节能产品是EPS、XPS、PU等有机保温材料，保温性能和物理性能显著，但是防火性能差。近几年，北京央视大楼火灾事故、上海胶州路教师公寓火灾事故、天津鑫茂军民园火灾事故、沈阳皇朝万鑫国际大厦火灾事故等闻名全国的高层建筑外墙保温大火事件，均跟外保温使用防火性能较差的保温板有关。

研究发现，外墙保温系统若选择EPS、SEPS、XPS等热塑性保温板作为保温芯材，受火后，保温板易出现收缩、融化、滴落、二次燃烧、火灾蔓延速度快、过火面积大、外围护层发生坍塌、坠落如图3所示，且燃烧释放大量烟雾，人体吸入易造成伤亡。而外墙保温系统若选择TPS板作为保温芯材，受火后，保温板在受火区域仅出现炭化，并不会出现融化、滴落、燃烧、护面层坍塌等现象如图4所示，具有较好的防火安全性。

根据现行国家标准GB50016-2014的要求，外墙保温系统采用B1、B2级保温材料时，应在保温系统中每层设置高度不小于300mm，燃烧性能为A级水平防火隔离带如图5所示。但若采用TPS板作保温材料时，由于TPS板具有典型的热固性特性，保温板受火不出现滴落，融化，燃烧，仅在受火区域出现表面炭化，因此可以不用设置防火隔离带，即可满足建筑防火安全要求。由此可知，热固性改性聚苯板（TPS板）在外墙保温系统防火安全方面较EPS板、SEPS板、XPS板等热塑性聚苯乙烯保温板具有明显优势，应用前景广阔。

图3 EPS板外墙薄抹灰保温系统受火燃烧状态特性：

图4 TPS板外墙薄抹灰保温系统受火燃烧状态特性：

图5 外墙薄抹灰保温系统防火隔离带设置位置效果图

6结语

外墙外保温系统采用不燃性材料或不具有传播火焰的难燃性材料时，外墙外保温系统几乎不存在防火安全性问题。聚苯乙烯泡沫板因具备质轻、导热系数小、吸水率低等诸多优点未来很长一段时间在外墙保温材料中将继续扮演着非常重要的角色。相比热塑性聚苯乙烯容易出现受火收缩、融化、滴落、燃烧等问题，热固性聚苯乙烯不仅具备优异的保温绝热性能，而且其防火安全性能同样很高，因此在建筑外墙中将会有广阔的应用前景与发展空间。

参考文献：

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作者

上海嘉宝莉建筑节能科技有限公司李刚顾炽烨王军华

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