一种热固型高阻燃性有机保温材料的研究

一种热固型高阻燃性有机保温材料的研究杨光 孙先海核心提示：亚士创能真金防火保温板又称 he 固型改性聚苯乙烯保温材料） 。该产品的核心技术是运用共聚改性技术使聚苯乙烯具有多亲性与防火物质相亲合，并运用微相复合技术在每个聚苯乙烯颗粒表面形成防火隔离膜，使每一个颗粒形成相对独立的防火单元。经过发泡的聚苯乙烯颗粒中含有大量的空气，其热传导性小，具有良好的隔热保温性能。遇火时，在火焰作用下，聚苯乙烯颗粒表面的防火隔离膜能够迅速形成连续的、中空的阻燃颗粒壳体；该防火壳体一方面起到隔绝氧气，阻止聚苯乙烯颗粒进一步燃烧的作用；另一方面阻止热量向下一个颗粒传导，从而达到阻燃的效果。关键词：热固 建筑外墙保温 有机材料一、热固型改性聚苯乙烯保温板的研发众所周知，建筑节能已是我国政府工作的一项重要的内容。在国家政策的引导和住建部等主管单位的支持下，中国的建筑节能保温事业得到了迅速的发展，形成了多种保温材料百花齐放的市场格局。目前市场上见到的用于外墙保温材料的材料主要有有机类材料（如：、 、 发泡聚氨酯、酚醛板等）、无机类材料（如无机保温砂浆、岩棉、泡沫玻璃等）和有机无机复合类材料（如聚苯颗粒保温浆料、泥夹心砖等），其中有机类材料又以 、为主，其用量达到了整个建筑保温市场的 80%以上。有机类保温材料具有保温效果好，价格经济等特点,但阻燃效果一般，虽然这类材料在添加足够的阻燃剂后能够达到防火要求，但由于其 为热塑性材料，且熔点 较 低，在火灾的情况下 还是能够迅速的燃烧，且由于其熔融滴落，还会造成火势的大面积蔓延；从而导致加大火灾的破坏性，给人民群众的生命财产带来巨大损失。2009 年元宵夜的央视大火，2011 年的沈阳皇朝万鑫国际大厦火灾， 2010 年的上海胶州路大火，便是惨痛的教训。无机类材料和无机有机复合类材料虽然其防火性能较好，但由于其保温效果却较差、物理性能方面存在缺陷等因素，无法在建筑上得到很好的应用，特 别是北方节能要求高的地区根本无法使用。通过对我国各种由于保温材料发生火灾进行分析统计，绝大部分的火灾时发生在施工阶段，在施工阶段，由于保温材料的现场堆放问题、 现场的交叉作业问题、以及 现场管理等各房中 问题，很容易造成火灾的发生， 这也就要求建筑保温材料本身应该具备很好的防火功能。一方面，建筑节能政策带来外保温行业无限商机，另一方面，由于外保温工程火灾的高发性，应用于外 墙的传统保温材料（如 氨酯等）存在社会压力和安全质疑，这些材料或许不再具备可持续发展性。未来市场的需求必然是：阻然等级能达到 A 级或 B 级、又能达到国家节能要求的外墙保温材料。这类产品目前还处于市场空白，也是全世界面临的难题。亚士创能公司作为专业从事保温装饰一体化行业的领军企业，致力于高性能材料的研究和商业应用。早在 2006 年国家推行绿色建筑（保温节能措施）于 2007 年正式立项，开始进行研究； 2009 年，取得了重大的理论突破。 2011 年通过中国建科院和天津消防所等检测机构的测试结果表明：该产品的综合性能指标优于目前市场上所使用的各种保温材料。 二、研发过程及阻燃原理根据外墙保温材料综合性能要求，一种合格的外墙保温材料，必须首先保证保温效果的基础上，同时具 备外墙材料的物理性能（如低吸水性、不易粉化、易施工性、耐久性），并且强化产品的防火阻燃性能等要素。基于无机材料某些天然的缺陷及可提升性的瓶颈，新材料的研发还是以有机材料为技术着眼点，旨在从阻燃机理、材料选择及开发应 用、 规模化生产的实现、 应用领域及应用方式等方面来进行这一全新材料的研究。客观说，与采用无机保温材料相比，有机保温材料的燃烧性能需要重点关注。如果施工或使用不当，该类产品确实存在着一定的引发火灾的风险，特别是对于 热塑性保温材料。在受火或受 热以后，该类保温材料收缩、熔化，并逐渐积聚至外墙保温系统的底部，同时热解气体在系统内形成压力。当底部的保护面层不足以承载积聚的熔化物或压力时，保护面层将失去稳定性直至变形、开裂，热解气体逸出，熔化状态的保温材料被点燃。进而导致保温材料的熔化收缩向未直接受火区域的扩展，逐渐蔓延扩大形成外保温系统的火灾。而且，材料燃 烧产生的熔融滴落物还可能将火焰带到燃烧区域以外的其他区域，从而引起其他区域的燃烧。这是热塑性保温材料主要的火灾风险。 [1]传统的提升有机材料防火标准的做法是在材料中添加阻燃剂，该方法容易使材料保温性能参数降低，同时，由于制 备工艺的影响，也容易使材料的物理性能受损，出 现如材料易粉化及易吸水的问题。更重要的是添加的大量阻燃剂加大了保温材料的烟气毒性，根据对大型火灾的伤亡数据统计，因浓烟造成的中毒性昏迷和窒息性死亡数据远高于直接因大火燃烧造成的伤亡。聚合物的燃烧是一个非常激烈复杂的热氧化反应，具有冒发浓烟或炽烈火焰的特征。燃烧的一般过程是在外界 热源的不断加热下，聚合物先与空气中的氧发生自由基链式降解反应， 产生挥发性可燃物，该物达到一定浓度和温度时就会着火燃烧起来，燃烧所放出的一部分 热量供给正在降解的聚合物，进一步加剧其降解，产 生更多的可燃性气体，火焰在很短的时间内就会迅速蔓延而造成一场大火。燃烧 需要三大要素：① 氧气 ；②可燃物；③ 温度达到物 质的最低燃点。要达到阻燃防火的目的，只要阻隔其中一种要素就可以防止燃烧的发生。基于上述原理，运用共聚改性技术使聚苯乙烯具有多亲性与防火物质相亲合，并运用微相复合技术在每个聚苯乙烯颗粒表面形成防火隔离膜，使每一个颗粒形成相对独立的防火单元。阻燃防火隔离膜形成示意经过发泡的聚苯乙烯颗粒中含有大量的空气，其热传导性小，具有良好的隔热保温性能。遇火时，在火焰作用下，聚苯乙 烯颗粒表面的防火隔离膜能 够迅速形成连续的、中空的阻燃颗 粒壳体；该防火壳体一方面起到隔 绝氧气，阻止聚苯乙烯颗粒进一步燃烧的作用；另一方面阻止热量向下一个 颗粒传导，从而达到阻燃的效果。基于以上原理，有典型的热固性保温材料特征，受火后并不收缩熔化，面层能够保持相对稳 定，也不会存在滴落物 产 生二次火源的问题。 [2]三、料对比实验分析研发工作没有遵循单纯添加阻燃的传统做法，而是意图在不破坏有机保温材料物理特性的基础上，运用新材料、新技术、新途径提高有机保温材料在高保温性能下的防火阻燃性，使高保温性与高防火阻燃性两者得以共存。由聚苯乙烯原料经过共聚改性，形成特殊的、性能稳定的可 发 性粒子，使用微相复合技隔离腔结构体术导入防火隔离膜，经发泡成型、切割等工艺制成防火性能不低于 温性能和建筑物理性能优于传统保温材料的新型保温板。于聚苯乙烯材料进行改性研发，通过对每个 粒进行涂覆包裹，使泡沫颗粒闭孔性更加高，减少热量的对流和传导，提高材料的导热性能。 经试验，经防火隔离膜涂层处理后 8kg/导热系数从 （实验实测值）。经过各项物理性能实验，部分性能指标优于常规的 料。[3]项目 业标准）表观密度， kg/m 3 18～2230变 10%)， ≥(m·K) ≤ ≤Pa·m·s) ≤，% ≤ 1 A（夏热冬冷区域普遍应用的无机材料相比，导热系数、吸水率等参数上具备优势。材料\测试内容导热系数(W/m*K 5 C)密度(kg/燃烧等级 吸水性1 A ＜棉板）棉带80~180 A <3.0 kg/28发泡水泥 80~340 A < 8(沫玻璃 30~220 A < 0.5(化微珠保温砂浆 00 A<1000 kg/m2(1技术与传统技术完全不同，技术思路和方向也不一样。颗粒防火隔离膜的概念是一个全新的首创概念；最大的优势还在于该技术的运用，保留了原来有机泡沫保温板的各项物理性能、保温性能，与传统 的有机保温材料相比除显著提高了阻燃等级、使产品形成 热固特性。 热固的特性能使产品在火灾中不产生熔融滴落物，减少了形成二次火源的危害。为了研究材料的防火安全性能， 亚士创能公司从各个维度对该材料进行火反应实验，包括试验室检测设备的测试、模拟现场的不安全因素测试，大型 墙角火试验以及大型窗口火实验等。下表为按照 624和 624标准进行的防火性能测试结果。试验结果表明，具有优异的防火性能。下图为 2012 年 3 月，在公安部消防局有关领导的主持下，在天津消防研究所进行了第四次大型火实验， 经过 30 分钟燃烧结束后，试验墙面依然完整，无滴落物。实验结果表明，在火灾条件下，真金防火保温板不具有火焰 传播性，不会燃烧。参考文献：[1]、[2]、[4]《新型热固改性保温材料的防火性能研究》 中国建筑科学研究院 朱春玲 季广其 ， 《建设科技》2013。[3]《亚士创能 国建筑科学研究院上海分院，2013。