EPS彩鋼板芯材的燃燒性能與熱穩(wěn)定性研究

高倩文

摘要：金屬面EPS夾芯板是目前應(yīng)用最為廣泛的一種新型保溫材料。近年來，隨著彩鋼板建筑的大規(guī)模建設(shè)和使用，EPS夾芯板作為建筑材料暴露出了自身存在的巨大火災(zāi)隱患。本文以EPS彩鋼板為研究對象，對EPS芯材的燃燒性能與熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，EPS彩鋼板芯材的熱失重速率最大的溫度為403.7℃。

關(guān)鍵詞：金屬面EPS夾芯板;燃燒性能;熱穩(wěn)定性

金屬面夾芯板，也叫做彩鋼夾芯板，是廣泛使用的建筑型材料，由外層的彩色烘烤涂裝型鋼板和內(nèi)部不同類型材質(zhì)的泡沫芯材經(jīng)過黏結(jié)壓合組成。目前應(yīng)用最廣泛的彩鋼夾芯板為EPS彩鋼夾芯板，其芯材為可發(fā)性聚苯乙烯泡沫EPS——主要是通過苯乙烯懸浮聚合后添加發(fā)泡劑來制備，具有蜂窩式多面體型特殊結(jié)構(gòu)[1-2]。正是由于這種均勻封閉空腔結(jié)構(gòu)及其自身穩(wěn)定的理化性質(zhì)，EPS具有絕佳的保溫隔熱性能。此外，EPS還具有優(yōu)異的緩沖性、抗沖擊性、抗老化性，并且自身不吸水、重量輕、成本低[3]，故而它在建筑行業(yè)競爭中具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，使用EPS保溫板作為外墻體保溫材料的占有率更是高達(dá)85%[2]，已占據(jù)中國市場上的很大份額。EPS彩鋼板在得以建設(shè)和廣泛應(yīng)用的同時(shí)，由于材料本身的可燃性、相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的局限以及施工存放時(shí)的防火措施不當(dāng)?shù)仍颍善湟l(fā)的火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，且現(xiàn)在市面上很多粗制濫造的EPS彩鋼板的燃燒分級僅達(dá)到B3級[3]，從消防安全的角度來看，EPS彩鋼板在各類彩鋼板中的火災(zāi)危險(xiǎn)性最大，故對其防火性能的研究應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。

目前，國內(nèi)外研究人員針對EPS等外保溫材料火災(zāi)安全的研究，多從有機(jī)保溫板的材料性能、防火性能、施工過程等出發(fā)，研究其火災(zāi)隱患、事故原因以及防火對策等方面，專門針對EPS彩鋼板消防安全的研究，主要有燃燒特性、火災(zāi)蔓延特征、火災(zāi)危險(xiǎn)性、針對火災(zāi)危險(xiǎn)性的預(yù)防措施等。在燃燒性能方面，S.Mehta[4]用TG和DSC研究了EPS的熱降解過程，提供了EPS受熱收縮、熔融、熱解等現(xiàn)象對應(yīng)的溫度值;湯子強(qiáng)[5]用熱重分析儀研究了EPS熱解過程，得到了EPS熱解反應(yīng)動力學(xué)的基本參數(shù)。本文主要利用錐形量熱儀和同步熱分析儀對EPS彩鋼板芯材的火災(zāi)危險(xiǎn)特性進(jìn)行討論分析。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

iCone classic錐形量熱儀

耐馳（NETZSCH）STA449F3型同步熱分析儀

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1利用錐形量熱儀對芯材進(jìn)行燃燒性能測試

將EPS彩鋼板芯材裁剪為100mm×100mm×13.36mm，重0.63g的樣品，利用錐形量熱儀對其自身燃燒性能相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，并由測量結(jié)果繪制EPS芯材的HRR與THR曲線，以此分析其火災(zāi)危險(xiǎn)性。實(shí)驗(yàn)設(shè)定熱輻射條件是為50Kw/㎡。

2.2利用同步熱分析儀對芯材進(jìn)行熱重分析

將EPS泡沫剪碎，用電子天平稱取5mg樣品，利用同步熱分析儀對其進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)。設(shè)定樣品在空氣氣氛下以10℃/min的升溫速率加熱至最高溫度600℃。利用origin軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制芯材的TG與DTG曲線，獲得其質(zhì)量隨溫度的變化關(guān)系。

3 EPS彩鋼板芯材的燃燒性能測試與熱重分析

EPS彩鋼板的金屬面板是熱的良導(dǎo)體，當(dāng)受到外部加熱時(shí)，EPS芯材受熱極易收縮熔融，溫度持續(xù)升高，則極有可能著火燃燒，且這種燃燒在板間進(jìn)行，不易被發(fā)現(xiàn)。考慮芯材燃燒對彩鋼板受火痕跡的影響，對其芯材進(jìn)行燃燒特性的測試與熱重分析。

3.1利用錐形量熱儀對芯材進(jìn)行燃燒性能測試

錐形量熱儀是當(dāng)前能夠表征材料燃燒性能的最為理想的實(shí)驗(yàn)儀器，其所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠較準(zhǔn)確的評價(jià)材料在火災(zāi)中的燃燒行為。為探究EPS彩鋼板芯材的燃燒性能，實(shí)驗(yàn)通過錐形量熱儀進(jìn)行相關(guān)測量。

由測量結(jié)果繪制EPS芯材的HRR與THR曲線，如圖1所示。

圖1示出的是實(shí)驗(yàn)用EPS泡沫的熱釋放速率與總釋放熱隨時(shí)間的變化曲線。結(jié)合數(shù)據(jù)可知，EPS泡沫達(dá)到的最大熱釋放速率為67Kw/㎡，初始狀態(tài)至熱釋放速率達(dá)到最大僅用時(shí)50s。總釋放熱為2.64KJ/㎡。實(shí)驗(yàn)用EPS泡沫在測試過程中共耗氧1.57g，質(zhì)量損失3.04g，總生煙量0.65g。

其他具體相關(guān)特性參數(shù)如表1所示。

3.2利用同步熱分析儀對芯材進(jìn)行熱重分析

為探究EPS彩鋼板芯材的熱穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)利用同步熱分析儀對其進(jìn)行熱重分析。由測量結(jié)果繪制EPS芯材的TG曲線，利用origin軟件對TG曲線進(jìn)行一次求導(dǎo)獲得DTG曲線。如圖2所示。

（1）由曲線圖可知，EPS泡沫發(fā)生熱分解的過程可以大致分為三個(gè)階段。

第一階段，即從開始升溫至外延起始溫度。在這個(gè)過程中，EPS泡沫重量無較大變化，但已經(jīng)出現(xiàn)熱分解的趨勢。

第二階段，外延起始溫度至外延終止溫度。這個(gè)階段是EPS發(fā)生熱分解的主要階段，損失質(zhì)量最多。EPS發(fā)生熱分解的過程中，速率先增大，達(dá)到最大后逐漸減小。在溫度為403.8℃時(shí)，達(dá)到最大熱解速率。

第三階段，外延終止溫度至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。過程中還存在小部分的熱分解反應(yīng)，質(zhì)量損失不大。

實(shí)驗(yàn)所得外延起始溫度Te、最大失重溫度TPi、外延終止溫度Tf如表2所示。

實(shí)驗(yàn)中由于電子天平自身帶有誤差，不能保證樣品質(zhì)量完全準(zhǔn)確，加上氣氛等因素的影響，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差。

（2）通過實(shí)驗(yàn)，可對EPS芯材熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析總結(jié)。

通過實(shí)驗(yàn)，可以初步掌握EPS彩鋼板芯材的熱反應(yīng)區(qū)間及反應(yīng)特點(diǎn)。EPS作為一種可發(fā)性聚苯乙烯泡沫，自身易發(fā)生熱分解反應(yīng)。它在受熱溫度達(dá)到100℃時(shí)即開始軟化，溫度升高至150℃時(shí)，開始收縮并熔化，至200℃時(shí)開始熔融，熔融物呈黑色焦油狀液體，同時(shí)釋放出CO等有毒氣體。其閃點(diǎn)溫度為360℃，繼續(xù)受熱使溫度達(dá)到380℃時(shí)，開始持續(xù)燃燒并釋放出大量的熱量與黑煙。在本次實(shí)驗(yàn)中，EPS芯材在溫度低于300℃時(shí)即開始發(fā)生熱解反應(yīng)，至400℃時(shí)反應(yīng)基本完成，500℃以后實(shí)現(xiàn)完全分解，最大失重分解溫度為403.8℃，與上述溫度一致。

4 結(jié)論及展望

4.1結(jié)論

本文以金屬面EPS夾芯板，及EPS彩鋼板為研究對象，開展了對其芯材的燃燒性能與熱穩(wěn)定性的研究與討論，現(xiàn)將本文分析處理得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論總結(jié)如下：本文得到EPS泡沫HRR、THR、TG與DTG曲線，得到最大熱釋放速率為67Kw/㎡，初始狀態(tài)至熱釋放速率達(dá)到最大僅用時(shí)50s。總釋放熱為2.64KJ/㎡。EPS芯材發(fā)生熱分解的過程可以大致分為三個(gè)階段，其中第二階段為主要反應(yīng)階段，在溫度低于300℃時(shí)開始熱解，至400℃時(shí)反應(yīng)基本完成，最大失重分解溫度為403.8℃。

4.2展望

EPS彩鋼板是目前生活中應(yīng)用極為廣泛的建筑材料，且在未來的生活中將持續(xù)占據(jù)建筑材料領(lǐng)域的主導(dǎo)位置，但EPS彩鋼板火災(zāi)的發(fā)生也越來越頻繁，基于火災(zāi)調(diào)查工作的難度性，對EPS彩鋼板火災(zāi)痕跡特征與其受火情況關(guān)聯(lián)性的研究工作十分重要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 聶曉勝.淺議彩鋼板建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性及預(yù)防措施[J].江西化工，2013（3）：218-219.

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