有机保温材料防火界面剂的开发与研究

目前, 我国应用的墙体保温材料主要有聚苯板、聚氨酯、胶粉聚苯颗粒保温浆料、岩棉、矿棉、玻璃棉、泡沫玻璃、无机保温浆料以及传统的加气混凝土砌块等,除了聚苯板、聚氨酯外,其他保温材料都具有优异的防火性能[1]。经过近几十年的发展,有机保温材料外保温体系研发和工程应用技术相对比较成熟,其他保温材料及外保温体系短时间内无法完全取代有机保温材料。因此,在有机保温材料本身或涂覆普通界面剂很难达到防火要求的情况下,研制无机防火隔热涂层复合在有机保温板面层形成防火界面剂,达到有机保温板在施工或使用过程中的防火要求,防止和减少有机保温材料在施工和使用过程中引发的火灾事故,迫在眉睫。

1 有机保温材料火灾分析
外墙外保温发生火灾可分为以下三个阶段:有机保温材料现场码放阶段、有机保温材料施工阶段、墙体投入使用阶段。前两个阶段主要是电焊作业和外部火源攻击引起有机保温材料燃烧, 尤以电焊作业为主。电焊作业产生的电焊火花和高温电焊钢筋头或其他火源物嵌入保温板中,在保温板内引起隐燃,造成保温板内高分子树脂融化滴落在易燃部位,积蓄燃烧能量,同时有机保温材料受热分解出可燃蒸汽,其中的H-与空气中的O+结合生成HO-,HO-与受热分解的CO 反应生成CO2和H-, 生成的H-又继续参与反应,如此形成一个燃烧循环。当燃烧热量引起可燃物蒸汽大量挥发并达到一定能量时,有机保温材料就会形成轰燃。第三个阶段,有机保温材料表面涂覆防火界面剂后, 虽然能在一定程度上降低系统的火灾安全隐患,但不能从根本上解决系统的防火问题,只能通过合理的防火构造措施才能彻底解决。

2 有机保温材料防火界面剂的研制试验
本试验针对有机保温材料发生火灾的前两个阶段由电焊火花引发的火灾事故,采用有机/无机复合路线, 在精选有机高分子乳液和无机粘结剂的基础上,添加各种阻燃助剂及其他外加剂,成功研制出防火等级高、粘结性能强的ZL 模塑聚苯板防火界面剂、ZL挤塑聚苯板防火界面剂和ZL 聚氨酯防火界面剂。

2.1 防火测试评价
2.1.1 涂覆防火界面剂有机保温材料氧指数
参照GB-T 2406-93 《塑料燃烧性能试验方法氧指数法》, 对涂覆防火界面剂有机保温材料的氧指数进行测试,试验过程见图1。

以PU 防火界面剂氧指数测试为例。PU 裸条氧指数为22~23,试验过程中,涂刷防火界面剂的条朝下,PU 裸条朝上。图2 和图3 氧指数分别为36 和40。

由图2、图3 可知,涂覆聚氨酯防火界面剂后,聚氨酯的阻燃性能大幅度提高,即使氧指数提高至40,在聚氨酯裸条燃烧后接触到防火界面层也会自熄,并且火焰基本不蔓延。涂覆防火界面剂有机保温材料氧指数见表1。

2.1.2 涂覆防火界面剂有机保温材料的水平燃烧性
参照《天津市建筑节能工程泡沫塑料保温材料施工现场防火安全暂行技术规定》, 对涂覆防火界面剂有机保温材料的水平燃烧性能进行测定,试验过程见图4。其中,火焰在距本生灯喷嘴端面13mm±1mm 处的温度为800℃±100℃, 蓝色火焰可见部分的高度为38mm±2mm,且有7mm±2mm 界线分明的内核。试样为带有防火界面层的正方形有机保温材料样快,尺寸为150mm×150mm,厚度为原厚。涂覆防火界面剂有机保温材料的水平燃烧性能见表2。


2.1.3 涂覆防火界面剂有机保温材料的电焊试验
试验要求: 铁架高1m,直径为20mm 钢筋条焊于铁架上,要求有机保温材料板材平放于电焊点正下方,电焊点与地面的垂直距离为1m±0.1m,持续电焊作业,要求在1min 内切断20mm 的钢筋头,使大部分电焊火花和切断的钢筋头落在板材上,观察板材的燃烧情况。所有板材的尺寸统一规格为:600mm×450mm×50mm。电焊试验见图5。

现场模拟电焊试验证明:有机保温板材涂覆防火界面剂后能大幅度提高在现场码放和施工阶段的火灾安全系数。EPS 板电焊试验和XPS 板电焊试验见图6~图11。


涂覆防火界面剂有机保温材料的电焊试验结果见表3。

电焊试验结果证明:涂覆防火界面剂聚苯板经电焊试验后, 与裸板和涂覆普通界面剂聚苯板相比,防火能力大幅度提高,着火后,火焰基本不蔓延,并在短时间内自熄。

2.2 综合性能指标
涂覆防火界面剂的有机保温材料在保证基本物理性能指标的前提下,燃烧性能得到大幅提高,见表4。

3 阻燃机理分析
(1)在保温层面层覆盖难穿透的保护层,使电焊火花等火源无法嵌入保温板内。
(2)含有使保温板炭化的活性材料,能改变燃烧链式反应,使燃烧过程朝着成炭方向发展,保温板不容易熔融滴落。
(3)含有游离基捕捉剂,使HO-或O+的游离基无法与可燃蒸汽结合,不构成轰燃条件。
(4)含有大量受热分解吸热物质,使材料难以达到起燃点。

4 结论
(1)本试验的创新点在于:材料中同时含有炭化活性物质、受热分解吸热物质、游离基捕捉物质,发挥各种物质阻燃作用的同时,又利用各种阻燃物质的协同作用,最大程度阻止和降低有机保温材料的火灾安全隐患。
(2)本产品既满足有机保温材料界面剂的基本物理性能指标,又大幅度提高了有机保温材料的防火等级,使有机保温材料的应用领域进一步拓宽。
目前,这种有机保温材料防火界面剂已大面积应用于工程实践。例如,山东诸城某大型商场(XPS 防火界面剂)、北京复兴门中国人民银行(PU 防火界面剂)、沈阳中汇广场和四川成都某工程(EPS 防火界面剂)等,施工面积近10 万m2,应用效果良好。

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