建筑有机保温材料受热和对火反应行为研究

摘要

保温工程火灾是伴随建筑节能兴起而出现的一种新型建筑火灾形式。被动式房屋是建筑节能下一个发展目标，其保温材料厚度是现有厚度的3～4倍，将进一步加剧火灾危险性，因此，亟待深化有机保温材料火灾危险性的研究。
　　本文依托自然科学基金“建筑有机保温材料受热行为研究”，外墙外保温防火隔离带技术规程及施工防火安全技术规程制定等课题，针对材料受热与燃烧性能关系、燃烧行为、防护对燃烧性能影响等节点问题，以占有机保温材料95％以上的聚苯乙烯泡沫塑料（EPS、SEPS、XPS）、聚氨酯泡沫塑料（PUR、PIR）和酚醛泡沫（PF）为对象展开研究，旨在为材料应用与改进、燃烧性能分析、保温工程火灾安全设计提供依据。本文的主要工作及取得的成果如下。
　　1、建筑有机保温材料受热行为研究
　　研究高温氧指数，受热氧指数、热释放性、形态演变和裂解的变化行为。
　　研究发现温度作用下，100℃以下热塑性材料的高温氧指数较热固性材料降幅更大，表明热塑性材料的氧指数对低温更敏感；300℃时聚氨酯的高温氧指数降幅超过10%，PF的降幅为6%。受热作用后，EPS和SEPS氧指数降幅较小，而XPS快速下降。300℃以下热固性材料氧指数随受热温度和时间的增加而缓慢降低；300℃时，聚氨酯材料的氧指数不降反升，为所形成的炭层前驱体所致。
　　微燃烧量热分析的研究表明，热塑性材料具有单一热释放峰，受热作用不改变其热释放速率曲线形状和最大热释放速率所对应的温度。热固性材料随受热温度的提高，其PkHRR降低，热释放范围温度提高。受热作用不改变热塑性材料的燃烧性能，降低热固性材料的热释放性及燃烧性。
　　采用影像方法取得了材料受热变形、液化、铺展、裂解等形态演变与温度关系。EPS、SEPS和XPS的液化温度分别为210℃、208℃和193℃，XPS呈现明显铺展而加速其裂解速度；针对熔体作用提出防火隔离带选材和施工措施。
　　利用热重-红外联机获得了材料的热重及逸出气体行为，热塑性材料具有基本一致的热重行为，XPS初始降解温度较EPS和SEPS低78℃。PIR降解产物分析表明，异氰脲酸酯结构的裂解温度在450~550℃。
　　2、基于锥形量热（CONE）试验的对火反应研究
　　针对室外火灾和材料特点，设计25kW/m2、35kW/m2和50kW/m2三个热辐射强度，采用锥形量热试验展开材料的对火反应行为的系统研究。
　　PF和PIR在25kW/m2时不点火，35kW/m2为PF的临界点火热辐射强度，材料在其它情况下均可被点火。可点火时，PIR和PUR的点火危险等级最高，热塑性材料和PF具有相近的较低点火危险等级。
　　特性试验发现，材料的阴燃倾向为PF＞PUR＞PIR。阴燃特性和CO释放行为交叉分析揭示PF发生阴燃，PIR和PUR不发生阴燃，提出了基于HRR曲线确定阴燃点燃时间的方法。利用阴燃时热辐射强度越大HRR及THR越小，CO的产率和产量越大，提出采用CONE试验判断材料的阴燃属性方法。
　　热塑性材料在不同热辐射强度下具有相近的有效燃烧热，表明材料为稳态燃烧，相同质量的材料具有相近总放热量而与热辐射强度不关联；热固性材料有焰燃烧时总放热量随热辐射强度增加而增大，低热辐射强度时不燃烧或不完全燃烧。PF在35 kW/m2和50 kW/m2发生有焰燃烧和阴燃交替进行的现象，存在“死灰复燃”风险。PF的火灾性能指数最小，聚氨酯泡沫塑料最大，聚苯乙烯泡沫塑料居中。探讨认为不燃烧时HRR曲线反映的是材料的热解耗氧行为。
　　有焰燃烧时材料的CO和CO2生成行为与其HRR行为表现一致。稳态燃烧使得热塑性材料在不同热辐射强度下具有相近的气体生成总量，而热固性材料因燃烧程度不同形成不同的气体生成总量。PF阴燃CO生成总产量（TCO）高于热塑性20倍以上，阴燃不释放CO2。基于CO浓度与毒性分析，提出了针对CO生成情况的材料使用和避险措施。
　　3、基于等效热阻的单体燃烧试验（SBI）对火反应研究
　　依据建筑热工基础，提出等效热阻研究燃烧和火灾性能方法；制备等效热阻下防护与不同防护材料的试样，开展SBI试验研究。
　　研究发现：防护的热塑性材料在燃烧初期均有明显高于不防护材料的热释放峰，显示更高的初期放热量和燃烧增长速率指数（FIGRA），提出空腔聚热效应是形成该现象的原因；而防护的热固性材料明显降低燃烧性能及特征值，防护厚度增大，点火时间延长，FIGRA指数和火灾性能指数降低。该结果指出制品化防火的依据和降低防火性能的适用条件。研究对材料燃烧性能和产烟行为进行了系统分析，所获得结果为等效热阻条件下的研究提供了基础数据。研究提出的提高防火性能的有关措施，已在实践和工程中得到了实际应用。

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符号与缩写对照表

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的、主要内容及意义

第2章研究方法

2.1 引言

2.2 等效热阻方法

2.3 研究条件设计与试验方法

2.4本章小结

第3章建筑有机保温材料受热行为研究

3.1 引言

3.2材料受热形态演变

3.3 温度作用对材料氧指数的影响

3.4受热作用对材料氧指数的影响

3.5受热作用对材料热释放速率的影响

3.6TG-FTIR的材料受热行为研究

3.7本章小结

第4章基于锥形量热试验的对火反应研究

4.1 引言

4.2 点火时间及其危险等级

4.3对火反应的热释放行为

4.4对火反应的质量行为

4.5对火反应的CO生成行为

4.6对火反应的CO2生成行为

4.7本章小结

第5章基于等效热阻的SBI对火反应研究

5.1 引言

5.2 单体燃烧试验（SBI）的燃烧行为

5.3防护厚度对PIR对火反应性能的影响

5.4 基于等效热阻的SBI对火反应性能比较

5.5本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

在读期间主要成果