建筑防火中高分子復(fù)合材料的應(yīng)用

1前言

隨著城市建設(shè)密度和建筑功能復(fù)雜性的持續(xù)提升，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防控成為建筑安全管理的關(guān)鍵問題之一。特別是在高層建筑和大型公共設(shè)施中，火災(zāi)一旦發(fā)生，將帶來嚴(yán)重人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。新材料的發(fā)展與建筑工業(yè)的融合，正在不斷推動(dòng)傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)理念的變革。高分子材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等特性，早已在多個(gè)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而其在建筑防火領(lǐng)域的潛力，也受到了相關(guān)工作者的廣泛關(guān)注。

2建筑防火性能需求分析

建筑材料需符合國家及行業(yè)防火規(guī)范，重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)涵蓋燃燒等級(jí)、耐火時(shí)長、熱釋放量及產(chǎn)煙特性等。當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)普遍要求材料燃燒等級(jí)不低于B1級(jí)，關(guān)鍵部位如鋼結(jié)構(gòu)防火層的耐火時(shí)間需 ?2h ，特定功能區(qū)（如避難層、電梯井道）甚至需滿足3h耐火標(biāo)準(zhǔn)。此外，為降低火災(zāi)中有害氣體風(fēng)險(xiǎn)，材料煙毒性危害指數(shù)應(yīng)≤15。隨著建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，構(gòu)件與裝飾系統(tǒng)的組合形式多樣化，防火設(shè)計(jì)需兼顧單一材料性能與整體系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性及火災(zāi)響應(yīng)協(xié)同性。

3高分子復(fù)合材料在建筑防火中的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與阻燃機(jī)理

高分子復(fù)合材料是以聚合物為基體，結(jié)合增強(qiáng)相（如纖維、顆粒或?qū)訝畈牧希┙?jīng)物理或化學(xué)手段復(fù)合形成的多功能材料，具備良好的力學(xué)特性、耐熱性及可調(diào)控性能。在建筑工程中，基體材料通常選用環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、聚氨酯及丙烯酸系聚合物，增強(qiáng)組分多采用玻璃纖維、玄武巖纖維、氫氧化鋁以及硅酸鹽類礦物填料。優(yōu)化各組分比例與復(fù)合結(jié)構(gòu)，可同步提升材料的機(jī)械強(qiáng)度、阻燃效果、導(dǎo)熱性能及使用壽命。

4高分子復(fù)合材料在建筑防火中的應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1高分子復(fù)合材料在建筑外墻與保溫系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1.1聚氨酯／硅酸鋁纖維復(fù)合保溫板在外墻系統(tǒng)中的防火應(yīng)用

聚氨酯/硅酸鋁纖維復(fù)合保溫板是一種集輕質(zhì)保溫與優(yōu)異防火性能于一體的高分子復(fù)合材料系統(tǒng)，廣泛用于建筑外墻保溫體系中。該材料以閉孔型剛性聚氨酯泡沫為高分子基體，具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)（ λ≈0.022W/（m? K）），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可顯著提升建筑熱工性能；與此同時(shí)，采用硅酸鋁纖維作為增強(qiáng)相，使整體材料在高溫作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐火穩(wěn)定性。硅酸鋁纖維熔點(diǎn)超過1200^°C ，在火災(zāi)初期形成物理隔熱層，有效減緩熱量傳遞。防火機(jī)制方面，該復(fù)合體系利用物理阻隔和化學(xué)反應(yīng)雙重機(jī)制協(xié)同實(shí)現(xiàn)阻燃效果：聚氨酯中引入磷系阻燃劑，在 300^°C 以上熱解時(shí)釋放磷酸自由基促進(jìn)碳化，硅酸鋁纖維骨架維持材料結(jié)構(gòu)完整，形成致密碳層，阻斷氧氣與可燃?xì)怏w交換。復(fù)合保溫板的極限氧指數(shù) （LOI）? 30% ，熱解殘?zhí)柯食^ 40% ，在 750^°C 明火條件下可持續(xù)90min 不坍塌。

4.1.2改性聚苯乙烯/氫氧化鋁復(fù)合外墻保溫板的防火 性能提升

改性聚苯乙烯（EPS）/氫氧化鋁復(fù)合外墻保溫板是對(duì)傳統(tǒng)保溫系統(tǒng)的阻燃性能重要升級(jí)。該板材以可發(fā)性聚苯乙烯為主體材料，利用接枝改性技術(shù)提升其熱解溫度至 260^°C 以上，并在基體中均勻分散氫氧化鋁 ΔAl（OH）₃ ）無機(jī)阻燃填料，形成熱一物理協(xié)同抑燃系統(tǒng)。在火災(zāi)高溫環(huán)境下，氫氧化鋁于 220%～250% 發(fā)生吸熱分解，釋放出結(jié)晶水稀釋可燃?xì)怏w，同時(shí)生成氧化鋁固體殘?jiān)采w材料表面形成保護(hù)層，從而阻隔熱源傳導(dǎo)并中斷燃燒鏈反應(yīng)。摻雜比例為 40% 的復(fù)合材料，其極限氧指數(shù)可由原EPS的 17% 提升至 28% ，熱釋放速率（HRR）降低約45% ，煙密度減少 35% 以上。與此同時(shí)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)維持在 0.035W/（m^?K） 以內(nèi)，保證不會(huì)影響其保溫性能。

4.2高分子復(fù)合材料在建筑內(nèi)部裝飾材料中的應(yīng)用

4.2.1聚氯乙烯／滑石粉復(fù)合地板材料在商業(yè)空間中的防火應(yīng)用

聚氯乙烯（PVC）/滑石粉復(fù)合地板材料在商業(yè)空間中應(yīng)用廣泛，其兼具良好的阻燃性、耐磨性和裝飾性，是現(xiàn)代高人流區(qū)域室內(nèi)地面系統(tǒng)的理想選擇。該材料以PVC為基體，通過熔融擠出工藝與 40%～60% 的微米級(jí)滑石粉均勻復(fù)合，不僅顯著提高了材料的熱穩(wěn)定性與尺寸穩(wěn)定性，還有效增強(qiáng)了其燃燒抑制能力。滑石粉為層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，無毒、不可燃，其在火災(zāi)高溫作用下可形成連續(xù)無機(jī)熱屏障層，降低熱導(dǎo)率至約 0.25W/（m?K） ，有效延緩熱量向下傳遞。PVC分子中的氯元素在燃燒時(shí)會(huì)釋放出HCI氣體，能抑制自由基鏈反應(yīng)，具有一定的自熄性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該類復(fù)合地板材料極限氧指數(shù)（LOI）達(dá)到 28% ，燃燒等級(jí)達(dá)B1級(jí)，符合GB8624-2012標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)室內(nèi)使用要求。如在某城市大型購物中心內(nèi)安裝的 3.2mm 厚PVC/滑石粉復(fù)合地板，在 600^°C 熱源加熱下可保持 90min 結(jié)構(gòu)不變形，且表面炭化均勻，無熔滴、無濃煙產(chǎn)生，有效保障疏散安全和人員避險(xiǎn)。

4.2.2酚醛樹脂／玄武巖纖維復(fù)合墻板在地鐵與醫(yī)院中的阻燃裝飾應(yīng)用

酚醛樹脂/玄武巖纖維復(fù)合墻板因其出色的防火性能和力學(xué)性能，在地鐵、醫(yī)院等高安全等級(jí)公共場所的墻體裝飾系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。該材料以熱固性酚醛樹脂為基體，其在高溫下可發(fā)生炭化反應(yīng)，炭殘率可高達(dá)45%～50% ，形成致密隔熱炭層，有效抑制火焰?zhèn)鞑?；同時(shí)復(fù)合玄武巖連續(xù)纖維，其熔點(diǎn)高達(dá) 1450^qC ，強(qiáng)度大、熱變形小，可在火災(zāi)條件下維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。根據(jù)測試，材料熱導(dǎo)率約為 0.29W/（m^?K） ，極限氧指數(shù)為 34% ，在標(biāo)準(zhǔn)垂直燃燒實(shí)驗(yàn)中可保持 120min 完整性，煙密度等級(jí)SD?15 ，毒性釋放控制在國家A類裝飾材料限值內(nèi)。結(jié)構(gòu)方面，復(fù)合板厚度一般為 10mm～12mm ，面密度約

8.5kg/m² ，具有較好抗沖擊性與防潮性能，適用于地鐵通道、站廳、醫(yī)院病區(qū)墻面等頻繁清洗與高頻接觸區(qū)域。在上海某地鐵線路的換乘樞紐改造工程中，酚醛／玄武巖墻板經(jīng)干掛式系統(tǒng)安裝，測試期內(nèi)無起翹、無剝落，現(xiàn)場火源測試中炭層完整，具備優(yōu)異的熱阻能力和裝飾壽命穩(wěn)定性。

4.3高分子復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的應(yīng)用

4.3.1環(huán)氧樹脂／磷酸銨膨脹體系在鋼結(jié)構(gòu)防火涂層中的應(yīng)用

環(huán)氧樹脂/磷酸銨膨脹型涂層作為鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)中的關(guān)鍵材料，因其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性與膨脹阻燃特性被廣泛應(yīng)用于大型公共建筑及高層鋼框架體系中。該涂層以環(huán)氧樹脂為基體，加人聚磷酸銨（APP）、季戊四醇（PER）、三聚氰胺（MEL）等膨脹型阻燃組分，構(gòu)成典型的“酸源一炭源一發(fā)泡劑\"協(xié)同系統(tǒng)。在受熱條件下，涂層可于 250^qC～300^qC 之間發(fā)生反應(yīng)，APP分解釋放磷酸并催化炭化反應(yīng)，PER提供碳骨架，MEL釋放氣體促成發(fā)泡，三者協(xié)同生成致密膨脹炭層，其厚度可膨脹至原涂層的15倍 ～30 倍，顯著延緩熱量傳導(dǎo)與基材升溫速率。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，該防火體系在厚度 2.5mm 條件下，耐火極限可達(dá) 2.5h 以上，鋼材表面溫度控制在 550^qC 以內(nèi)，有效延緩結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)間。該涂層系統(tǒng)不僅具備良好的防火隔熱功能，同時(shí)兼具耐腐蝕、附著力強(qiáng)（拉伸強(qiáng)度 ? 1.5MPa ）施工適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，可采用噴涂、輥涂或刷涂等方式施工，適用于不同復(fù)雜幾何鋼構(gòu)件表面。

4.3.2酚醛樹脂/玻璃纖維復(fù)合電纜橋架在公共設(shè)施防火系統(tǒng)中的應(yīng)用

酚醛樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料在防火電纜橋架領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，特別適用于軌道交通、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等對(duì)供電連續(xù)性與防火隔離要求極高的公共設(shè)施系統(tǒng)中。該橋架采用熱固性酚醛樹脂作為基體材料，結(jié)合縱橫定向排列的玻璃纖維布，應(yīng)用拉擠或模壓成型工藝制備，具備高強(qiáng)度（抗彎強(qiáng)度 ?320MPa ）耐熱性強(qiáng)（熱變形溫度 ?180^°C ）、電絕緣性能好等綜合優(yōu)勢。酚醛樹脂具有天然的阻燃特性，其熱裂解反應(yīng)于 300^°C 開始，炭化率達(dá) 50% 以上，在火災(zāi)環(huán)境下可快速形成連續(xù)碳層，阻隔氧氣滲透并有效抑制燃燒鏈反應(yīng)。玻璃纖維增強(qiáng)層在高溫中保持穩(wěn)定形態(tài)，防止結(jié)構(gòu)斷裂或塌落，顯著提高整體耐火極限與熱穩(wěn)定性。試驗(yàn)表明，該復(fù)合電纜橋架在750^°C 火焰噴射下維持結(jié)構(gòu)完整 120min ，LOI值達(dá) 35% 且在GB/T20285煙密度試驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)異，SD值控制在12以內(nèi)。工程應(yīng)用中，該橋架安裝簡便，單位重量較鋼制橋架減輕約 40% ，適配高空敷設(shè)與復(fù)雜布線環(huán)境，且耐腐蝕、免維護(hù)周期長。

5建筑防火中高分子復(fù)合材料的應(yīng)用案例分析

5.1應(yīng)用高分子復(fù)合材料的建筑項(xiàng)目概述

在“某智慧城市產(chǎn)業(yè)孵化中心\"建筑群項(xiàng)目中，高分子復(fù)合材料被系統(tǒng)化應(yīng)用于外墻保溫系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)以及室內(nèi)墻面裝飾模塊中，項(xiàng)目總建筑面積約14.6萬 m² ，建筑高度 57.4m ，功能涵蓋辦公、數(shù)據(jù)中心、科研實(shí)驗(yàn)與多功能展示空間。該項(xiàng)目位于地震設(shè)防烈度為8度的區(qū)域，且全年平均氣溫波動(dòng)大，防火、安全與節(jié)能性能要求較高。項(xiàng)目外墻采用聚氨酯復(fù)合保溫板結(jié)合水性丙烯酸膨脹型防火涂層系統(tǒng)，平均厚度為 60mm ，導(dǎo)熱系數(shù)控制在 0.032W/（m?K） ，并搭配耐火極限 ≥1.5h 的高分子界面砂槳作為保護(hù)層，有效兼顧了熱工性能與耐火要求。鋼結(jié)構(gòu)主桁架采用環(huán)氧-磷酸銨復(fù)合膨脹型防火涂料噴涂，厚度 2.5mm ，經(jīng)耐火測試能在火場 1200^°C 下保持結(jié)構(gòu)完整性2h以上。內(nèi)裝區(qū)域墻面全部選用酚醛樹脂基復(fù)合墻板，兼具A2級(jí)燃燒性能和良好的抗沖擊性，適應(yīng)復(fù)雜的辦公與展示環(huán)境。

5.2防火性能實(shí)驗(yàn)測試及效果評(píng)估

為驗(yàn)證高分子復(fù)合材料在建筑防火系統(tǒng)中的實(shí)際性能，項(xiàng)目采用標(biāo)準(zhǔn)防火模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能測試，實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB/T9978.1-2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)原理基于熱輻射加熱-溫度傳感反饋機(jī)制，通過恒溫高溫燃燒室模擬火災(zāi)環(huán)境，對(duì)材料樣本進(jìn)行熱通量與完整性評(píng)估。測試樣本包括外墻保溫復(fù)合板、鋼結(jié)構(gòu)防火涂層片段和室內(nèi)墻面復(fù)合板，共9組樣品，每組3塊。

實(shí)驗(yàn)方法分為五個(gè)步驟：第一步為樣品預(yù)處理（干燥、標(biāo)準(zhǔn)尺寸裁剪）;第二步在垂直爐內(nèi)均勻加熱，溫度設(shè)定梯度提升至 1200^°C ；第三步記錄每種材料的完整性保持時(shí)間和背火面溫度；第四步對(duì)樣品炭化厚度及形變進(jìn)行分析；第五步基于熱重分析法評(píng)估其質(zhì)量損耗和熱解速率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，所有材料均能在高溫作用下維持結(jié)構(gòu)完整性超過 90min ，遠(yuǎn)超一般建筑防火分隔構(gòu)件的最小耐火極限要求（ 60min ），其中鋼結(jié)構(gòu)防火涂層在高溫條件下表現(xiàn)最優(yōu)，炭化層致密均勻，熱通量屏蔽率超過 65% 。此外，質(zhì)量損耗率均低于 30% ，顯示材料熱分解速率受控，無爆裂、滴落等危險(xiǎn)燃燒行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明高分子復(fù)合材料在實(shí)際建筑應(yīng)用中具備優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)完整性和防火保護(hù)能力，具有良好的安全保障性能。

6結(jié)論

通過對(duì)高分子復(fù)合材料在建筑防火領(lǐng)域中的系統(tǒng)研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該類材料在熱穩(wěn)定性、耐火極限和材料完整性方面均表現(xiàn)出優(yōu)越性能，驗(yàn)證了其作為防火構(gòu)造核心組成部分的可行性與普遍適用性。盡管在復(fù)雜環(huán)境長期老化性能方面仍需進(jìn)一步深入探討，但本研究在構(gòu)建建筑防火系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)框架方面具有理論指導(dǎo)價(jià)值與工程實(shí)踐意義。建議未來研究結(jié)合智能感知技術(shù)，探索高分子復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與自適應(yīng)阻燃機(jī)制，提升其在智能防火領(lǐng)域的應(yīng)用深度。

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