建筑外墻外保溫材料熱解及火蔓延特性研究

摘要：采用阻燃和非阻燃XPS保溫材料，并于10℃/min、15℃/min、20℃/min和30℃/min等4種升溫速率，在空氣氛圍中進行熱重實驗，研究外墻保溫材料的熱解特性。研究結果表明：兩種XPS材料的熱解過程可分為3個階段，即穩定、快速失重和慢速失重階段。兩種XPS材料的初始熱解失重溫度、熱解最大速率溫度以及熱解結束溫度，都會隨著升溫速率的增加而增加。

關鍵詞：建筑外墻；保溫材料；火蔓；熱重實驗

0 " 引言

絕大多數熱塑性材料在受熱時，物理形態變化主要有三個階段：玻璃態、高彈態以及粘流態。相關學者提出火災沿建筑外墻火蔓延機理主要有兩種：一是室內火災引起建筑外墻保溫材料的火蔓延，在高溫火焰持續輻射、沖擊作用下，引發外墻保溫材料燃燒，從而引發二次火災。二是外源火災引發建筑保溫材料火蔓延，即臨近建筑外墻堆積的可燃物著火，形成的高溫火焰直接沖擊外墻引燃建筑外墻保溫材料，從而引發建筑外墻保溫材料火蔓延[1-4]。

XPS是一種典型的熱塑性保溫材料，它是一種高分子聚合材料。XPS材料在外源火災作用下發生火蔓延，由于存在“康達效應”會產生火焰貼壁現象。這一現象可加快火蔓延速度，在短時間內火災便會蔓延至整棟大樓[5-7]。因此對XPS保溫材料的火蔓延行為進行研究，對于評估其火災危險性非常重要。

本文選取兩種XPS材料的熱解特性進行實驗探究，介紹熱重實驗原理以及積分等轉化率法推算XPS材料的活化能，并比較兩者活化能的異同。通過實驗研究不同火源尺寸以及邊墻結構因子影響下，不同阻燃級別XPS保溫材料順流火蔓延特性。

1 " XPS熱解特性實驗原理與實驗方法

1.1 " 實驗器材

本文選用耐馳公司生產的STA449F3同步TG-DSC熱分析儀，對XPS保溫材料的受熱分解過程進行研究分析。主要分析保溫材料質量在不同升溫速率下的變化趨勢，利用相應的熱解動力學方法求解其表觀活化能等參數。

1.2 " 實驗原理

受熱分解過程是XPS保溫材料燃燒的一個基礎性條件。它包含著氣相與固相的變化，此過程相當復雜，只有分解出可燃氣體才會出現燃燒現象。研究該過程有利于更好的了解XPS保溫材料在發生火災時的燃燒行為。

熱重分析儀作為測量物質在程序升溫下，物質質量與溫度關系的常用儀器，其工作原理如下：試樣在程序升溫過程中，出現脫水、氧化和分解等幾個階段，期間試樣質量發生變化。通過熱電偶記錄實時的溫度，通過熱天平記錄試樣在此溫度下的質量，并采用專用的數據記錄軟件，即可得到該試樣的熱重譜線圖。

1.3 " 試驗方法

實驗采用非阻燃和阻燃兩種XPS材料進行熱重實驗，兩種材料均采購于廊坊格美保溫材料有限公司。其中阻燃XPS的阻燃級別為B2級。兩種XPS保溫材料在建筑外墻保溫領域應用廣泛，因實驗要求，兩種材料均需破碎成顆粒均勻的試樣。試樣制成以后放入樣品袋中，送至實驗室進行實驗。

本實驗采用4種升溫速率對試樣進行熱重實驗，分別為10℃/min、15℃/min、20℃/min、30℃/min。實驗過程中以N2為保護氣體，流速恒為20mL/min。升溫區間為室溫至800℃，且每組實驗重復3次，以減少實驗誤差。

2 " XPS熱解特性實驗結果與分析

圖1為20℃/min升溫速率下阻燃和非阻燃XPS材料的TG圖像。通過8組熱重實驗可知，其TG曲線的趨勢都相同。兩種材料在不同升溫速率下的熱分解過程可以3個階段，分別為穩定階段、快速失重階段和慢速失重階段。在兩方面原因共同作用下，試樣質量的快速下降。隨著熱解產物消耗殆盡，試樣的質量損失速率迅速降低，而后進入到慢速失重階段，最終熱解反應停止。

非阻燃XPS空氣氛圍下的熱解情況如表1所示。阻燃XPS在空氣氛圍下的熱解情況如表2所示。由表1、表2可知，在空氣氛圍下，隨著加熱速率β的增加，非阻燃XPS的初始熱解溫度T始由10℃/min時的280.45℃，增加到30℃/min時的361.12℃；而其熱解峰值溫度T峰整體呈上升趨勢，由404.98℃增加到421.62℃；熱解結束溫度T末由430.98℃增加到514.12℃，而最大熱失重速率隨β的增加而增加，由22.80℃/min增加到80.64℃/min。對于阻燃XPS，其不同階段的特征溫度隨β的變化趨勢，與非阻燃XPS的變化趨勢相同，此處就不再贅述。

分析兩種材料的熱解相關數據可以發現，非阻燃XPS在不同β下的T始，整體小于阻燃型XPS的T始，非阻燃XPS的T峰大于阻燃XPS的T峰，而非阻燃的T末大于阻燃的T末。這很大程度上是由于阻燃成分對熱解過程造成的影響。從熱解速率快慢上可以看出，非阻燃XPS和阻燃XPS都是在β為30℃/min最為敏感，且隨著β的升高而升高。

3 " XPS順流火蔓延實驗與結果分析

3.1 " 實驗材料

本文研究中使用兩種XPS保溫板，分別為阻燃和非阻燃型。搭建實驗平臺需要對保溫板進行預打孔。從保溫板下部，每隔10cm用記號筆畫橫線，作為后期圖像處理時一種輔助措施。通過對相關實驗數據的分析，不僅可以得到火蔓延過程中的火焰形態等特性參數，同時還可以獲得火蔓延過程中火焰氣相溫度、XPS保溫板表面溫度，以及火焰對板材輻射熱流、對側墻熱流數據的變化規律。實驗材料如圖2所示。

3.2 " 火蔓延過程與階段

3.2.1 " 火蔓延過程

本文以兩種保溫材料兩種工況下4組實驗圖像為例來進行說明。利用SONY高清攝像機，可以很清晰的記錄XPS火蔓延的整個過程。從拍攝的視頻中，分別截取5個階段所對應的視頻，分別為點燃油池初始階段、XPS保溫板燃燒階段、火蔓延至中部階段、火蔓延至頂部階段、XPS保溫板熔融滴落階段。20cm寬度火源無側墻非阻燃XPS火蔓延情況如圖3所示。20cm火源90cm側墻阻燃XPS火蔓延情如圖4所示。對圖3、圖4進行分析，可以得到以下結論：

實驗開始時，均利用盛有160mL正庚烷的兩種不同尺寸的油盤作為點火源，放置在距離保溫板材表面5cm處。在燃燒初始階段，由于向保XPS保溫板傳遞的熱量較少，進行熱解反應材料只能發生收縮現象，阻燃和非阻燃XPS保溫板均是如此。油盤尺寸越大，火焰體積較大，傳遞給板材的熱量越多，熱解階段維持的時間越短。阻燃材料維持時間較不阻燃材料維持時間長。

隨著熱量的進一步傳輸，溫度達到保溫板材的燃點之后其發生燃燒。在實驗中發現，阻燃保溫板在油池火作用下（即在外加輻射情況下），火焰體接觸熱解之處有火焰產生，并維持燃燒。但是在離火焰體較遠處，例如在水平蔓延方向上并未見明顯火焰，且火勢較不阻燃材料火勢小。

實驗中要求，板材貼于外立墻上模擬實際建筑中的情況。由于貼壁效應，且實驗中設有邊墻，因此會對火焰產生拉長效應。隨著火蔓延的進行，兩種材料燃燒所產生的火焰體積均不斷增加。傳遞給未燃板材的熱量增加，加速了未燃區域的熱解反應，可燃氣體量增加，故加劇了火蔓延行為。火蔓延過程中，豎向火蔓延大于水平方向的火蔓延，且兩種材料在外加火源作用下，兩者火蔓延均呈倒“V”字形發展。

XPS保溫板作為典型的熱塑性材料，在受熱時產生熔融滴落現象，且實驗臺為豎直方向布置，燃燒時產生的熔融物在重力作用下向下滴落。順流火蔓延過程中，保溫材料燃燒產生黑色濃煙。在實驗隧道中發現，煙氣主要分布在上層，與空氣有明顯分層。產生的黑煙較多，為此實驗開始前要做好個人防護。實驗結束后，需要對熱電偶和藍寶石玻璃面進行清潔，以保證采集數據的精確。

3.2.2 " 火蔓延階段

通過對實驗視頻進行處理，可獲得火焰前鋒實時位置。本文研究的為順流火蔓延實驗，在實驗的過程中發現，火焰不斷跳躍、上下浮動，取一組實驗工況作為演示。20cm油盤作用下無側墻阻燃XPS火焰前鋒如圖5所示。從圖5中可以看出，在外加火源即臨近壁面火的情況下，非阻燃和阻燃XPS的火蔓延可分為3個階段：一是預熱與點燃階段。實驗開始，點燃油盤內的正庚烷。此階段火焰的熱作用以及材料本身的燃燒產生的熱量較小，并不足以促使火焰快速蔓延。二是加速蔓延階段。此階段油盤火焰的熱作用顯著加強，XPS材料接觸火焰的部分熱解的同時，開始燃燒并產生大量熱量。在油盤火的持續作用下，火焰向上快速蔓延。三是衰減與結束階段。此階段火焰沿XPS材料表面向上蔓延，火焰前鋒超過材料上邊緣后，由于火焰前鋒作用于可燃氣體的未燃區域不斷減少，并伴隨著XPS熔融物的滴落，導致材料表面火焰的逐漸衰退。

3.3 " 火焰形態

利用圖像處理法將視頻文件（MTS文件）中每一幀轉換為圖片（JPG格式），然后利用MATLAB軟件編制圖像處理程序，將彩色圖片轉換為二值圖。為實現此種轉換，需要先在MATLAB圖像處理程序中選擇一個閾值，像素值高于該閾值的設為1，低于該閾值的設為0。關于該閾值的選擇，主要有兩種方法：固定閾值法和閾值自動選擇法。然后根據亮度區域大小與實際尺寸的比值，便可得到實際火焰的相關形態參數。為確保數據的準確在板材表面每隔10cm用記號筆劃橫線作為圖像處理法的一種輔助措施。

4 " 結束語

本文通過開展10℃/min、15℃/min、20℃/min、30℃/min等4種升溫速率下，空氣氛圍中的兩種XPS材料的熱解特性，研究非阻燃和阻燃XPS兩種材料在不同升溫速率下的熱分解特征。研究結果表明：兩種XPS材料的熱解過程可分為3個階段，即穩定、快速失重和慢速失重階段。兩種XPS材料的初始熱解失重溫度、熱解最大速率溫度以及熱解結束溫度，都會隨著升溫速率的增加而增加。

參考文獻

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