建筑保温装饰材料阻燃方法研究

白日昌 张春野 黄米娜 金富 侯烨

【摘要】模塑聚苯板（EPS）、挤塑聚苯板（XPS）、聚氨酯（PU）等有机保温材料被广泛应用于建筑节能系统，但其自身遇火稳定性差以及火势蔓延迅速等劣势也被广泛关注。本研究的目的是找到在不影响材料本身保温性能的同时能够有效地提高其燃烧性能，甚至达到移火自熄有效阻断火势传播的方法。通过对燃烧性能测定方法、阻燃机理、具体阻燃方法的研究提出一套针对外墙保温系统提升自身燃烧性能的方法。

【关键词】模塑聚苯板（EPS）；挤塑聚苯板（XPS）；聚氨酯（PU）；阻燃机理；燃烧性能

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.03.024

【基金项目】辽宁省检验检测认证中心创新创业项目：采用聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇制备膨胀型防火保温材料的研究。

Research on Flame Retardant Method of Building Thermal Insulation Decorative Materials

BAI Richang， ZHANG Chunye， HUANG Mina， JIN Fu， HOU Ye

（Liaoning Inspection， Examination and Certification Centre， Shenyang 110036， China）

Abstract： Organic insulation materials such as molded polystyrene board （EPS）， extruded polystyrene board （XPS）， and polyurethane（PU） are widely used in building energy-saving systems. However， their poor fire stability and rapid fire spread have also been widely recognized. The purpose of this study is to find a method that can effectively improve the combustion performance of the material without affecting its insulation performance， and even achieve effective fire suppression and self extinguishing to block the spread of fire. A set of methods for improving the combustion performance of exterior wall insulation systems is proposed through the study of combustion performance measurement methods， flame retardant mechanisms， and specific flame retardant methods.

Keywords： molded polystyrene board （EPS）； extruded polystyrene Board （XPS）； polyurethane （PU）； fire-retardant mechanism； combustion performance

0引言

2016年国家推行实施的《民用建筑节能管理规定》中提出了建筑节能管理要求。近些年，随着建筑节能理念的推广和建筑保温材料技术的迭代更新，外墙保温系统被大规模应用于城市高层建筑中，并取得了良好的收效。但保温材料的消防安全风险也被全社会日益重视起来。同时，GB 50016— 2014《建筑设计防火规范》[1]中对外墙保温系统的应用范围和材料设计要求均作出了明确的规定。随着阻燃技术的发展以模塑聚苯板（EPS）、挤塑聚苯板（XPS）、聚氨酯（PU）等为代表的保温材料不仅具有良好的隔热保温效能，同样也兼具与之相对应完善的防火性能。通过产品升级和阻燃方法的更新能在保持材料原有特性的前提下，有效地提高其燃烧性能是有机保温材料能被大量应用的前提条件。

1燃烧性能

燃烧性能包括建筑材料及制品在遇火燃烧情况下所产生的所有化学变化和物理变化，伴随材料的燃烧可能出现火焰传播、热传导、产烟、起泡、炭化、热辐射、滴落物生成、失重以及毒性生成物等现象。目前，燃烧性能指标是判定建筑材料及制品遇火稳定性的最直观依据。国家标准GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》对建筑制品保温材料的燃烧性能指标作出了详细的要求，其中将建筑材料及制品的燃烧性能划分为四个等级：A级（不燃材料）、B1级（难燃材料）、B2级（可燃材料）、B3级（易燃材料）[2]。

建筑设计中使用最为广泛的模塑聚苯板（EPS）、挤塑聚苯板（XPS）、聚氨酯（PU）等有机材料的燃烧性能可达到B1级，岩棉、玻璃丝绵、发泡水泥等无机保温材料的燃烧性能可达到A1级。以挤塑聚苯板（XPS）为代表的有机保温材料比岩棉为代表的无机保温材料具有燃烧性能差的劣势，相反在保温性能上有机保温材料要优于无机保温材料。胶粉聚苯颗粒复合板是将有机材料聚苯颗粒与无机材料进行复合，是有机材料和无机材料相互妥协的一种产品。它以牺牲一定的保温隔热性能为代价，其燃烧性能可达到A2级，但其同样有价格偏高、容重较大的劣势，这在一定程度上限制了该类复合保温材料的应用。在不改变材料物理属性的前提下提升其燃烧性能是既解决挤塑聚苯板（XPS）、聚氨酯（PU）等有机材料燃烧性能劣势，又能保留其保温属性的有效途径。

2试验方法

建筑制品保温材料的燃烧性能按照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》的要求可以分为A1、A2、B、C、D、E、F七个等级，其中A2、B、C、D四个等级的检验方法采用GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的单体燃烧实验》。

GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的单体燃烧试验》是判定保温材料燃烧性能最为常用的检测方法标准。SBI单体燃烧试验是一种模拟墙角实体火的测试方法，是利用被测定一定热量的火源实际攻击试件而分析试件燃烧性能的方法[3]。SBI单体燃烧试验采用尺寸分别为1500 mm×1000 mm和1500 mm×500 mm的2块试件垂直呈90°放置。并对试件表面施加固定热值的火焰攻击，在试验规定时间内分析整体试验环境生成烟气中氧浓度和二氧化碳浓度的变化情况。最终将烟气中氧浓度和二氧化碳浓度的变化和烟气的温度变化，以及排烟管道压力变化的数据指标，利用计算公式分析试件在试验标准条件下的燃烧特征，并以燃烧热释放指数和总热释放量等形式量化地呈现出来。单体燃烧试验示意图如图1所示。

3阻燃机理

大多数情况下燃烧现象的发生和发展有四个必要的条件，即可燃物（按化学成分划分为有机和无机，按形态可分为固态、液态和气态）；氧化剂（一般情况下维持物质燃烧需要一定含量的氧气）；引火源（明火、电弧、电火花、雷击、高温、自燃引火源）；链式反应自由基。阻燃机理是指材料或制品其燃烧强度降低的机制，利用材料或制品自身的燃烧特性，实施一定的方法减缓或减弱材料的燃烧强度甚至达到移火自熄的效果。主要的阻燃机理包括以下几个方面：

1）隔绝氧气

氧气是维持物质燃烧的基本条件，属于燃烧的四个必要条件中的氧化剂。如果在燃烧过程中能有效隔绝材料与氧气的接触，将会减缓燃烧的发展。利用隔绝氧气的原理进行阻燃处理的方法有材料表面涂抹水泥砂浆或对材料表面涂覆防火涂料。

2）释放不燃气体降低氧浓度

大多数有机材料燃烧的过程伴有气化现象，即可燃物预热分解释放可燃气体，可燃性气体被点燃顺带点燃可燃物。通过在材料表面涂覆阻燃剂的方法可以抑制可燃物可燃性气体挥发的同时阻燃剂释放氮气、二氧化碳等不燃性气体。这样可以降低可燃物周围氧气的浓度来达到抑制燃烧的作用[4]。

3）吸热

在有机保温材料的制备过程中加入无机阻燃剂添加物（氢氧化镁、膨胀石墨、硼酸盐、草酸铝等），使其有效附着在有机材料周围。当材料发生燃烧时，使材料燃烧产生的温度降低到燃烧临界温度以下燃烧自熄。无机阻燃剂遇热分解后生成的金属氧化物可覆盖于燃烧物表面，可有效阻挡热传导和热辐射，以起到隔热阻燃的作用。在这个过程中，由于阻燃剂的受热分解能吸收大量材料燃烧产生的热量，同时产生的结晶水又能够有效地降低材料的温度，进而减缓和放慢材料的燃烧过程和强度。

4检测数据分析

为了分析不同的阻燃方式对材料燃烧性能的影响，我们设计一组比对试验。根据阻燃机理的不同分别采用水泥砂浆涂覆、添加阻燃剂和防火涂料涂刷的方式对同一规格的模塑聚苯板（EPS）和阻燃胶合板进行阻燃处理，并利用SBI单体燃烧试验对材料进行测试。将实验数据进行总结和归纳，分析不同的阻燃处理方式可能对被测材料燃烧性能指标带来的影响。试件基材分别选用18 kg/m3的模塑聚苯板（EPS）和15 mm厚的阻燃胶合板。在满足标准规定的状态调节时间后开展试验，试验数据如表1所示。

通过以上数据可知，不同的阻燃方式能够在一定程度上提高试件的燃烧性能，但不同基材的阻燃方式的适用性又有所不同。水泥砂浆涂覆的方式可以有效地提高模塑聚苯板的燃烧性能指标，由于水泥砂浆本身具有不燃属性，涂覆在基材表面可以有效地隔绝可燃材料与氧气的接触[5]，但随着试验的进程，火焰的温度会传导至可燃物，进而引燃可燃物。这也就能解释为什么在试验前期燃烧率增长指数FIGRA0.4 MJ的数值很低，而随着试验进程的深入，FIGRA0.4 MJ的数值会急剧上升。鉴于水泥砂浆涂覆阻燃方式的特殊性考虑不同的涂覆厚度对阻燃的效果影响很大。因为水泥砂浆层越厚，越能够有效地隔绝氧气与可燃材料接触，越能够延长火焰热力传播的时间，达到隔热阻火的效果。

阻燃剂浸泡的阻燃方式对提高模塑聚苯板和阻燃胶合板的燃烧性能均有显著效果。阻燃剂附着在试件表面，遇热分解生成的不燃气体可以有效地降低试件表面氧气含量，同时产生的结晶水也可以在一定程度上降低可燃材料的温度。

涂刷防火涂料的阻燃方式对提高模塑聚苯板的燃烧性能作用不大，但对提高阻燃胶合板的燃烧性能有着显著的效果。原因在于涂刷防火涂料的阻燃机理是防火涂料预热膨胀碳化形成一层厚实的碳化层，可以阻断火源的热力传导降低基材表面温度。木材的燃点高于模塑聚苯板，同理相同的火源情况下模塑聚苯板更加易燃。因此，碳化层虽然能够有效地隔氧阻燃，但不足以使材料表面的温度低于材料的燃点。

5结束语

建筑保温材料和建筑装饰材料提高燃烧性能的阻燃处理方法有很多，不同的阻燃处理方法适用于不同的材料。防火涂料对于木饰面材料的燃烧性能有提升效果，但对苯板等有机保温材料作用不大。在选择阻燃处理方式时应根据材料的属性选取与之相适宜的阻燃机理。

【参考文献】

[1]建筑设计防火规范：GB 50016—2014[S].

[2]建筑材料及制品燃烧性能分级：GB 8624—2012[S].

[3]建筑材料或制品的单体燃烧试验：GB/T 20284—2006[S].

[4]张屹东，董文博，刘庆，等.EPS保温板燃烧性能等级改进措施的试验研究[J].工程质量，2023，41（增刊1）：79-83.

[5]巩建爱.模塑聚苯板燃烧性能提高技术探究[J].四川水泥，2020（6）：146.

【作者简介】

白日昌，男，1985年出生，高级工程师，硕士，研究方向为建筑材料及消防器材检测。

（编辑：李钰双）