多因素對改性聚苯板燃燒熱值試驗結果的影響分析

張屹東，朱春玲

（1.建筑安全與環境國家重點實驗室，北京 101119；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

GB 50016－2014《建筑設計防火規范》［1］的發布實施，補充了對建筑保溫系統的防火要求，對“建筑保溫材料的燃燒性能”提出了嚴格的限制條件，要求采用燃燒性能為 A 級的保溫材料。

熱固復合聚苯乙烯泡沫保溫板（以下簡稱“改性聚苯板”）作為此背景下的研發產品，在工程的保溫設計中得到了廣泛的應用，并且針對改性聚苯板的物理性能、保溫性能、力學性能等均有一定的研究［2-9］。改性聚苯板采用阻燃型聚苯乙烯泡沫顆粒或板材為保溫基體，添加一種或多種改性材料，通過顆粒包裹、粒料混合或基板滲透等工藝制成的復合保溫板［10］。其實質為有機聚苯乙烯泡沫顆粒與無機漿料通過一些特殊工藝制備而成的有機-無機復合保溫板。當兩者的配合比達到一定的限值時，改性聚苯板的燃燒性能等級可以達到A（A 2）級。

在 GB 8624－2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》［11］對平板狀制品進行 A2 級判定中，燃燒熱值和單體燃燒試驗（SBI）結果作為比較常用的判定方法。筆者在對不同廠家產品的試驗中發現，大多數的改性聚苯板已經達到了“準不燃”的效果，撤火自熄。試驗數據也表明，改性聚苯板通過 SBI 試驗指標要求較容易，而在燃燒熱值試驗中，試驗數據往往出現不均勻、不穩定的現象。首先，這與材料本身有直接的關系，生產過程中有機-無機材料混合不均勻，每次試驗時有機、無機材料的比例很難達到完全一致；其次，按照現行的熱值試驗方法 GB/T 14402－2007《建筑材料及制品的燃燒性能燃燒熱值的測定》［12］（以下簡稱“GB/T 14402－2007”）進行試驗時多采用坩堝法，試驗過程中可能會出現所謂的“炸鍋”現象，添加物（苯甲酸）未完全燃燒就被濺出，試驗后彈筒中仍會殘留未燃燒的樣品，這也是導致數據不均勻的另一個重要原因。有研究提出通過增高坩堝的高度、不在彈筒中添加蒸餾水（吸收燃燒產生的酸性氣體）等方法對改性聚苯板進行熱值試驗，這些改進均破壞了氧彈燃燒試驗時的吸熱-放熱環境，得到的數據也不一定準確［13］。基于此，本研究首先提出針對此類材料采用將有機-無機材料分離的方法，對有機、無機材料分別進行試驗，后續再整體計算的思路，解決上述試驗中出現的問題，在試驗中得到了很好的應用，也保證了數據的準確性。

在日常測試及實驗室間的比對中發現，針對同一種材料，不同的設備、人員、材料廠家、取樣位置等因素不同，會導致試驗結果出現較大的偏差，這也給判定材料是否合格帶來了困難。因此，本研究在提出了試驗方法及詳細的試驗操作細則的基礎上，討論設備因素、人員因素及廠家因素等多方面對試驗結果帶來的影響，試驗結果可供今后實驗室內、各實驗室間的數據比對、偏差分析等提供數據基礎。

1 試驗部分

1.1 試驗方法描述

采用機械手段，對改性聚苯板中的聚苯乙烯泡沫和改性材料進行分離，具體操作及試驗流程如圖 1 所示。分離出的無機改性材料，依舊采用坩堝法+苯甲酸進行試驗；而鑒于聚苯乙烯泡沫質量輕，在試驗充氧過程中會將樣品吹入彈筒中影響試驗結果，所以對有機泡沫采用香煙法進行試驗，不添加苯甲酸，這也很好地解決了苯甲酸未燃燒完全就被濺出的問題。

圖1 改性聚苯板有機-無機組份分離及試驗流程圖

本實驗在標準要求的基礎上，結合大量的試驗經驗，提出了較為細致的操作細則，如天平的稱量、室內外環境等因素的影響、彈筒的清洗、取樣的位置等。在本試驗中，完全按照標準和操作細則完成，不再討論這些因素對結果的影響。

1.2 各因素對試驗結果的影響

1.2.1 試驗設備對結果的影響

對同一試驗人員采用兩臺不同生產廠家的氧彈量熱計對同一樣品進行測試，來討論不同儀器設備對試驗結果的影響。采用的兩臺氧彈量熱計分別為長沙奔特儀器有限公司生產的 WGR-1 型（1#）及長沙瑞方能源科技有限公司生產的 RF-C7000P 型（2#）。根據 GB/T14402－2007 中 7.2 節的要求對兩臺氧彈量熱計的熱容量重新進行校準，采用苯甲酸作為校準物，其標準熱值為 26 480 J/g，每次標準樣的質量約 0.5 g，分別進行 5 次試驗。以 5 次標定結果的平均值代表儀器的熱容量，每次結果的偏差不得超過 0.2 %，兩臺儀器熱容量的校準結果如表 1 所示。

表1 兩臺儀器熱容量的校準結果

取同一樣品分別采用上述兩臺已校準的設備進行試驗，所選的樣品信息如表 2 所示。

表2 樣品信息

從試件的芯部取一塊樣品約 20 g，按照組份分離的方法試驗，記錄取樣質量及分離后各組份質量及計算的質量比，按照質量比將分離后的無機改性材料和聚苯乙烯泡沫大致分成兩份，分別采用 1#、2# 設備進行試驗，信息如表 3 所示。

表3 組份分離結果

采用兩臺設備對無機改性材料的測試結果如表 4 所示，添加物為苯甲酸（標準熱值為 26 480 J/g），點火絲熱值為 3 140 J/g。

表4 兩臺設備對無機改性材料的測試結果

對聚苯乙烯泡沫的測試結果見表 5 所示，其中試驗用香煙紙的熱值為 15.05 MJ/kg。

表5 兩臺設備對聚苯乙烯泡沫的測試結果

對于設備 1#，按公式計算樣品的總燃燒熱值：

Q=0.48×0.838+7.59×0.162=1.63 MJ/kg

對于設備 2#，按公式計算樣品的總燃燒熱值：

Q=0.42×0.838+7.45×0.162=1.56 MJ/kg

通過兩臺設備對同一樣品的測試結果可以看出，1# 設備試驗結果為 1.63 MJ/kg，2# 設備試驗結果為1.56 MJ/kg，結果偏差 0.07 MJ/kg，小于標準要求的偏差 0.2 MJ/kg，兩個結果均可以滿足 A2 級對熱值的要求（≤3.0 MJ/kg）。所以不同的設備對樣品測試結果影響可以忽略不計，但必須要求的是，如果進行設備對比之前，必須將設備的熱容量重新進行校準，并且滿足偏差的要求。

1.2.2 試驗人員對結果的影響

本次對比針對不同試驗人員，采用同一臺試驗設備，對同一樣品進行試驗。試驗人員均可獨立按照標準完成試驗，除了解 GB/T 14402－2007 標準規定的試驗步驟外，還需學習試驗室針對氧彈試驗的操作細則，其中規定了操作的細節，如：試驗環境、稱量、試驗后彈筒清洗等控制。采用1#設備進行試驗對比，其熱容量為 9 504.5 J/K。同樣，采用與之前相同批次的香煙紙，苯甲酸及點火絲等。板材采用某廠家提供的密度較低的聚合聚苯板（標稱密度約 80 kg/m3），之所以選擇低密度板材，原因有兩個：第一，產品標準 JG/T 536－2017《熱固復合聚苯乙烯泡沫保溫板》中，對中密度（50～140 kg/m3）板材的燃燒性能未進行規定，通過燃燒熱值初步判斷一下其性能；第二，某檢測報告顯示，此產品可以通過燃燒性能 A2 級的要求，通過試驗，進一步進行校驗，并說明對于已校準的儀器，不同的操作人員對結果是否會有很大影響。其板材的基本信息如表 6 所示。

表6 樣品信息

從試件的芯部取一塊樣品約 16 g，按照組份分離的方法試驗，記錄取樣質量及分離后各組份質量及計算的質量比，按照質量比將分離后的無機改性材料和聚苯乙烯泡沫大致分成兩份，分別提供給 1#、2# 試驗人員進行試驗，信息如表 7 所示。

表7 組份分離結果

兩位試驗人員獨立操作，得到的無機改性材料及聚苯乙烯泡沫的試驗結果如表 8 和表 9 所示。

表8 兩位試驗人員對無機改性材料的測試結果

表9 兩位試驗人員對對聚苯乙烯泡沫的測試結果

1# 試驗人員，按公式計算樣品的總燃燒熱值：

Q=-0.30×0.673+26.05×0.327=8.32 MJ/kg

2# 試驗人員，按公式計算樣品的總燃燒熱值：

Q=-0.27×0.673+25.67×0.327=8.21 MJ/kg

通過采用同一設備對同一樣品的測試結果可以看出，1# 試驗人員的試驗結果為 8.32 MJ/kg，2# 試驗人員的試驗結果為 8.21 MJ/kg，結果偏差 0.11 MJ/kg，此偏差對于較高熱值的樣品，試驗結果可認為是平行結果，從此說明不同的操作人員對試驗結果的影響不大。但需提前進行規定，包括對標準步驟的熟悉及對此試驗細則必須充分掌握，并熟記于心。在日常的研究試驗中發現，室內外環境的變動（比如晴天和陰天導致室內微環境的變化）、天平預熱時間及穩定性會對稱量結果產生影響、洗滌彈筒時采用溫水及冷水對后續的結果均會有一定的影響等，所以不同的試驗人員必須嚴格按照操作細則來完成試驗，才可以降低人員造成的試驗誤差。

從這兩個結果還可以看出，8.32 MJ/kg 和 8.21 MJ/kg結果均不能滿足 A2 級對熱值的要求（≤3.0 MJ/kg），并且相差比較多。由于本次試驗采用樣板的密度為 83 kg/m3，從樣板的成型工藝上看，無機改性材料相對較少，泡沫所占比例相對較大，且無機改性材料未包覆泡沫表面。從試驗結果可以看出，分離出的泡沫顆粒熱值較大，最終導致樣板整體的熱值較大。所以較低密度的改性聚苯板的熱值是限制其通過燃燒性能 A2 級的重要因素，如何保證密度較低，仍可以通過 A2 級熱值要求，是一個重要的研究課題，這也是 JG/T 536－2017《熱固復合聚苯乙烯泡沫保溫板》也未對標稱密度在 50～140 kg/m3范圍內的樣品的燃燒性能進行說明的原因。

1.2.3 不同廠家同一標稱密度對結果的影響

本次對比針對不同生產廠家標稱密度相同的板材進行試驗，采用同一臺試驗設備（1#）進行。挑選不同廠家兩種標稱密度（180 kg/m3和 140 kg/m3）的板材進行試驗比對。儀器熱容量為 9 504.5 J/K，采用與之前相同批次的香煙紙，苯甲酸及點火絲等。對標稱密度為板材 180 kg/m3的板材（測量密度分別為 186.4 kg/m3和 182.2 kg/m3），其熱值測試結果分別為 2.53 MJ/kg和 1.90 MJ/kg，均可以滿足燃燒性能 A2 級熱值的要求（≤3.0MJ/kg），但也可看出，對于同樣是標稱密度 180 kg/m3的板材，兩者熱值結果相差 0.63 MJ/kg，可以說明這完全是兩個獨立的結果。在此討論一下標稱密度為 140 kg/m3的試驗結果，其板材的基本信息如表 10 所示。

表10 樣品信息

從兩組試件的芯部各取一塊樣品，按照組份分離的方法試驗，記錄取樣質量及分離后各組份質量及計算的質量比，兩個廠家板材分離結果如表 11 所示。

表11 組份分離結果

對得到的無機改性材料及聚苯乙烯泡沫的分別進行測試，試驗結果見表 12 和表 13。

表12 兩個生產廠家無機改性材料的測試結果

表13 兩個生產廠家聚苯乙烯泡沫的測試結果

從無機改性材料及聚苯乙烯泡沫熱值測試結果看，兩個廠家不同組份的熱值相差較大。對其整體熱值進行計算如下。

1# 廠家板材，按公式計算樣品的總燃燒熱值：

Q=0.51×0.754+7.61×0.246=2.26 MJ/kg

2# 廠家板材，按公式計算樣品的總燃燒熱值：

Q=-0.29×0.668+16.07×0.332=5.14 MJ/kg

從結果看，標稱密度為 140 kg/m3的不同廠家板材整體熱值差別較大，并且可看出，1# 廠家板材可通過燃燒性能 A2 級對熱值的要求（≤3.0 MJ/kg），但 2# 廠家板材不能通過。從組份組成的比例上看，2# 廠家聚苯乙烯泡沫占比較大；從熱值結果上看，無機組份明顯不同，取兩個廠家的無機組份進行 X 射線衍射（XRD）試驗，廠家1#主要成分為碳酸鈣（CaCO3），而廠家 2# 主要成分為含鎂系的無機改性材料；從產品的施工工藝上看，1# 板材無機組份包裹聚苯泡沫顆粒表面（顆粒包裹型），而 2# 板材表面無明顯包裹，無機改性材料通過基板滲透形成最終的板材成品，這也是導致有機泡沫組份熱值差別的原因。綜合來講，不同廠家板材的生產工藝、組份材料、材料比例均會有明顯的不同，尤其對于較低密度（標稱 140 kg/m3左右）的板材，在檢測及工程應用中需要謹慎對待，不可將密度作為判定其燃燒性能的唯一依據。

2 結論

1）改進針對此類材料的燃燒熱值試驗方法，采用組份分離的手段，分別試驗并計算總熱值，數據結果更為準確，避免了因組份不均導致的數據偏差大的問題。

2）討論了不同設備、不同試驗人員對試驗結果的影響，結果表明，在設備準確校準、試驗人員遵守標準及操作細則要求，其對試驗結果均無影響。在不同實驗室進行比對試驗過程中，不需考慮此因素。

3）不同生產廠家、不同密度的板材對試驗結果有較大影響，尤其是低密度的板材，可能導致材料能否通過燃燒性能 A2 級的判定。因此，密度不可作為判定燃燒性能是否符合的要求的唯一主觀因素。Q