保温材料XPS燃烧性能的研究进展

鲁玉鑫 杨虓熙

摘要：XPS是包覆在建筑物外壁的有机保温材料，用于保温或隔热。然而，XPS极易燃烧，导致火灾事故频发。为了解XPS燃烧性能，减少火灾事故，详细介绍了XPS的引燃特性、火焰蔓延特性和热释然速率特性，展望了研究XPS燃烧性能的发展方向。

关键词：XPS;引燃特性;火蔓延特性;热释放速率

挤塑聚苯乙烯（XPS）作为外保温系统的核心材料，具有低电导率、质地轻、高强度等特点，被广泛应用于建筑领域。然而，近年来，由外墙保温材料引起的火灾事故频发，其中有大众熟知的中央电视台北配楼火灾和上海静安区教师公寓火灾，外墙保温材料的安全问题成为了焦点[1]。许多学者对外墙保温材料的火灾特性进行了研究，发现在保温材料中XPS是最具有火灾危险性的材料之一。为此，本文综述了XPS燃烧性能的相关研究成果。

一、XPS的引燃特性

（一）引燃温度

孟庆璇[2]等选用DW-2A型点燃温度测定仪对XPS的点燃温度进行测定，测得其点燃温度约为380℃。陈建功[3]等采用同样仪器测量，发现XPS的点燃温度约为379℃。根据上述二者实验结果，可以得出XPS的引燃温度大约在380℃左右。然而，An W[4]通过实验研究发现，保温材料的热穿透厚度随外界热辐射热量的增大而减小。由此我们可以得出，点燃时当外界热通量越大时，材料的热穿透厚度就越小，则能热解出来的可燃气体就越少;然而热量一定，可燃气体的质量减少，其对应的燃烧温度就会增大，所以此时保温材料的引燃温度就会提升。因此，保温材料的引燃温度随外界热通量的增大而增大。

（二）点燃时间

安伟光[5]等通过实验测得XPS的点燃时间都随试样厚度的增大而增长，在定量上分析是由于材料厚度较大，点燃时容易受热收缩，从而不易产生火焰。为了分析点燃时间与材料厚度的关系，通过实验数据和推导得到引燃时间的公式为

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综上分析，XPS在小尺寸实验下的引燃温度大约在380℃左右;同时，XPS的引燃温度与热辐射通量成正比关系;另外，XPS的引燃时间符合拟合推导公式

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二、XPS的火焰蔓延特性

（一）宽度对XPS火焰蔓延行为的影响

柳爱静[6]等利用小尺寸实验研究宽度对XPS水平火蔓延行为的影响。结果表明，无风作用且XPS宽度小于4cm时，燃烧较为稳定;若宽度增加，火焰与空气接触充分，则燃烧剧烈。同时还发现XPS样品燃烧时预热角（火焰贴附面与样品的夹角）随宽度的增加先增大后减小，从而导致火焰蔓延速率随宽度的增加先减小后增大，拐点在宽度为8cm处。安伟光[5]等研究了在有边墙和无边墙工况下不同宽度的XPS竖直逆流火蔓延特性。实验显示，无边墙时，XPS逆流火焰蔓延速度随宽度的增加先减小后增大，并且火焰振荡明显;有边墙时，XPS逆流火蔓延速度与样品宽度成正比关系，火焰更贴近壁面，燃烧时柔和稳定。

（二）厚度对XPS火焰蔓延行为的影响

黄新杰[1]等通过小尺寸实验研究了不同厚度下XPS水平火蔓延的特征。结果表明，火蔓延速度随厚度先增大后减小，厚度为4cm时，XPS火蔓延速度最大。研究发现，当XPS燃烧经历第一阶段时，火蔓延速度主要取决于化学反应速度，与厚度成正比关系;当处于第二阶段时，火蔓延速度与厚度成反比关系。然而，XPS燃烧时的平均池火长度、火焰高度、火焰侧面积都随厚度的增加而增大。安伟光[5]等人研究了在有边墙和无边墙两种工况下材料厚度对XPS竖直逆流火蔓延的影响。实验发现，处于无边墙工况下，XPS火焰蔓延速度随厚度的增大而增加;有边墙时，较薄的XPS试样的火焰蔓延速度随时间变化慢慢减速并且有停滞的现象，较厚的试样火焰蔓延速度稳定。总之，保温材料竖直火蔓延速度与试样厚度符合函数：

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（三）放置角度对XPS火焰蔓延行为的影响

黄新杰[1]等研究了放置角度对XPS火蔓延特性的影响。结果表明，无论放置角度为正角还是负角，XPS火焰蔓延速度都随放置角度的增大而增大;虽然结论一致，但是造成上述现象的原因各有不同：负角越大时，XPS燃烧时产生的熔融物易接触到材料的未燃区域。正角越大时，预热区长度越长，对未燃烧部分的热辐射越大，从而火焰蔓延速度越快;同时，随着正角的增加也会引起二次点火的现象，这主要是由于熔融XPS材料受到重力的影響脱离熔融区域而造成的。

（四）点火位置对XPS火焰蔓延行为的影响

胡超[7]等利用小尺寸燃烧实验研究了XPS点火位置不同时竖直火焰的燃烧行为。选用底部位置点燃，材料不立刻燃烧;被点燃后，火焰向上的燃烧速度大于向两侧蔓延的速度，燃烧痕迹呈倒V形;同时，燃烧过程中产生熔滴，熔滴会长时间燃烧。选用中部位置点燃，点燃位置下方的材料很快燃烧，随后其上方材料才会燃烧;在XPS样品稳定燃烧后，将点火源撤除，发现点火位置上方的保温材料不久就会熄灭且燃烧痕迹呈正V形;而下方材料会猛烈燃烧，材料两侧的火焰蔓延速度大于向上的蔓延速度，燃烧痕迹呈现倒V形。

综合以上分析，材料宽度和厚度的增加会导致XPS水平火焰蔓延速度先增大后减小，而竖直火焰蔓延速度持续增大，并且在无边墙工况下XPS竖直火焰蔓延速度大于有边墙工况下的速度;同时，材料的火蔓延速度随着材料的放置角度的增大而增大，所以当XPS竖直贴在建筑物外墙时，火灾危险性最大;另外发现，建筑物底部的外墙保温材料点燃要比中部位置点燃造成的火灾危险性大。

三、XPS的热释放速率特性

（一）微燃烧量热仪实验

陈应周[8]等采用微燃烧量热仪对XPS、PU、EPS的热释放速率进行测量。结果表明，外墙保温材料的热释放速率变化过程都明显只有一个单峰，该峰出现在280s时刻处，峰值高达800W/g。与其他保温材料相比，XPS的热释放速率峰值更为陡峭，并且出现在较高的温度值处。

（二）锥形量热仪实验

安伟光[5]等分别研究了XPS不同厚度和不同辐射强度对热释放速率的影响，尺寸样10cm×10cm，试样厚度选择为2cm、3cm、4cm、5cm。通过锥形量热仪测试，发现XPS的热释放速率和材料厚度没有明显的线性关系，但是实验得出，当XPS样品较薄（2cm）时，只出现一个热释放速率增长峰;当XPS样品较厚（大于2cm）时，会出现两个热释放速率增长峰，分别出现在点燃后和熄灭前。这是由于XPS较薄时，第一个热释放速率增长峰出现时，材料质量损耗极大，致使第二个增长峰不会出现。当XPS较厚时，在点燃材料但未燃着时，会有一定的质量损失，并释放一定量的热解气体，当点燃后，热解气体燃烧会产生第一个热释放速率增长峰;随着燃烧的继续，未燃材料表面接收到火焰和加热锥的双重热流作用，质量损失增大，会产生更多的热解气体，燃烧后会出现第二个热释放速率增长峰。同时发现厚度越大，出现热释放速率峰值的时间越晚，持续峰值的时间变长，并且峰值还会降低。另外，不同辐射热流作用下XPS的热释放速率不同，XPS的热释放速率的平均值和最大值均随辐射热流强度的增大而增大。

张苗[9]等采用锥形量热仪研究不同辐射强度下对各种保温材料热释放速率的影响。结果表明，随着辐射热的增加，XPS的热释放速率峰值增大，点燃时间和达到峰值的时间缩短，且热释放速率峰值与峰值时刻点两者呈反比例关系。相比于其他保温材料，XPS密度高，其燃烧时产生的高温熔融液层附着在表面，使其长时间处在热释放速率峰值处，致使XPS热释放速率的图像呈正梯形状，因此可以推断XPS的热危险性更大。

（三）单体燃烧试验（SBI）试验

王俊胜[10]等利用单体燃烧试验（SBI）试验对XPS等有机保温材料的燃烧行为进行分析。实验发现初期XPS的热释放速率曲线呈缓慢上升趋势，在710s左右达到峰值，峰值为40kW/s，随后曲线缓慢下降。XPS的火焰熔融会显著影响SBI试验过程中的燃烧增长率指数，导致XPS在SBI试验条件下的燃烧增长率指数明显低于锥形量热仪试验条件下的数值，这可能会造成对XPS的潜在火灾危险性的低估。

（四）大尺寸实验研究

崔嵛[11]等采用大尺寸实验对外墙保温材料的火蔓延特性进行了分析。实验的样品尺寸为120cm×60cm×3cm，分别将其在窗口溢流火和临近壁面火两种工况下进行燃烧分析。在窗口溢流火工况下，由于XPS是热塑性材料，融化是受热初期主要的行为，伴有熔滴出现，实验发现，融化收縮的速度随材料密度的减小而增大;其次，实验得出窗口越宽，火焰与避面的夹角越小，熔滴掉落前越容易与火焰接触，从而使燃烧更加剧烈，在110s左右就出现热释放速率峰值，并且峰值为250kW/s，而窄开口溢流火相反，125s左右达到热释放速率峰值，峰值有所下降为175kW/s。在临近壁面火工况下，融化同样是在初期受热后的主要行为，火焰冲击角度是影响热释放速率的因素，火焰冲击角度越小，火焰壁面贴附效应明显，XPS热释放速率增高。

综上所述，相同条件下，XPS尺寸和热辐射强度越大，热释放速率峰值越大并且出现时间越早;XPS厚度越大，热释放速率峰值越低且出现时间越晚，但是处于高热释放速率的时间变长，会出现双峰现象。然而，利用SBI试验对XPS的燃烧行为进行研究，发现其热释放速率并没有预期的高，可能是材料的成碳情况和火焰熔融导致的，可进一步进行探究。对于大尺度实验而言，分别采用窗口溢流火和临近壁面火两种加热形式进行研究，发现窗口溢流火开口宽度越大，XPS的HRR的初始热释放速率越大;在临近壁面火工况下，火焰冲击角度越小，XPS热释放速率增高。

五、结语

XPS作为建筑中常用的有机保温材料，本文总结了XPS的引燃特性、火焰蔓延特性和热释放速率，为人们对其进行防火提供了指导意义。总体来看，XPS具有良好的保温隔热性，但相比其他保温材料的缺点是燃烧过程中总热释放量大，火焰蔓延速度较快，成炭效果不佳，存在很大的安全隐患。所以，未来对XPS的防火和阻燃技术是值得关注的热点。

目前建筑的外墙保温方法有外墙内保温法、外墙夹心保温法、外墙外保温法，未来可进一步探索不同外墙保温方式对保温材料燃烧性能影响的研究;其次，不同的建筑形状会对外墙保温材料的燃烧特性产生影响。我国建筑设计多种多样，部分建筑采用外墙保温材料，未来可针对不同建筑形状上的外墙保温材料的燃烧进行分析;最后，虽然有很多学者研究保温材料的燃烧性能，但是进行大尺寸实验研究的少之又少，未来对保温材料进行大尺度实验从而填补数据空缺的任务迫在眉睫。

参考文献：

[1]黄新杰.不同外界环境下典型保温材料PS火蔓延特性规律研究[D].安徽：中国科学技术大学，2011：141.

[2]孟庆璇.开孔工况下外墙保温材料竖向燃烧特性实验研究[D].江苏：中国矿业大学，2019：82.

[3]陈功建.两种海拔高度环境下保温材料PS热解及燃烧特性研究[D].安徽：安徽工业大学，2018：92.

[4]An W，Jiang L，Sun J，et al.Correlation analysis of sample thickness，heat flux，and cone calorimetry test data of polystyrene foam[J].Journal of Thermal Analysis&Calorimetry，2015，119（1）：229-238.

[5]安伟光.PS建筑外墙保温材料燃烧及火蔓延行为研究[D].安徽：中国科学技术大学，2015：173.

[6]柳爱静.风作用下聚苯乙烯保温材料逆流火蔓延行为研究[D].安徽：中国科学技术大学，2016：65.

[7]胡超，朱国庆，张磊.外墙保温材料在火灾中的燃烧现象小尺寸实验研究[J].中国安全生产科学技术，2012，8（2）：10-15.

[8]陈应周.典型外墙保温材料火灾特性的微燃烧量热仪实验研究[J].武警学院学报，2013，29（8）：8-10.

[9]张苗，刘幸娜，陈阵，宋文华.辐射强度对建筑典型外保温材料燃烧性能影响的试验研究.中国安全科学学报，2013，23（12）：42-47.

[10]王俊胜，刘丹，王国辉，等.有机外保温材料的中尺度燃烧行为[J].消防科学与技术，2015，34（8）：985-988.

[11]崔嵛.竖直壁面条件下常用有机外墙保温材料的火灾行为研究[D].安徽：中国科学技术大学，2012：153.