EPSPU保温材料火灾危害性研究要点.docx
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EPSPU保温材料火灾危害性研究要点
EPS、PU保温材料火灾危害性研究
TheresearchonfirehazardofEPSandPUheatinsulatingmaterial
摘要
在建筑中，外围护结构的热损耗较大，外围护结构中墙体又占了很大份额。
建筑墙体的改革和墙体节能技术的发展是建筑节能技术的一个重要的环节，而发展外墙保温材料技术则是节能的主要体现方式。
外墙保温技术最早起源于欧洲，我国是从20世纪80年代中期开始试点，并将该技术广泛应用于建筑领域的。
但目前的建筑节能水平还远低于发达国家，我国建筑单位面积能耗是气候相近的发达国家的3-5倍。
所以今后建筑业中对保温材料的应用将是一个很大的趋势，为了能够合理的利用能源，保温材料的使用将会占到一定的主导作用。
随着我国节能技术的发展房屋建筑中主要利用的保温材料有：
EPS板材、XPS板材以及发泡聚氨酯（PU）板材等等。
本论文以EPS和PU板材为研究对象，通过其燃烧特性和得到的数据进行分析在发生火灾时两种材料各自的特点，对比两种材料哪种相对安全比较适合当今建筑业的需要，对两种材料的火灾危险性进行比较基础的测试。
本论文针对保温材料的燃烧特性和原理，主要以国内的试验评价方法对EPS、PU板材进行试验研究，通过实验现象和结果比较二者的差异，经过一系列试验数据对材料进行分析针对其不同材料在同一种实验下的表现得到了一些有实用性的结论。
该论文中的实验包括：
垂直燃烧、烟密度和氧指数。
通过材料在一定条件下火焰蔓延速度、产生有毒害气体的浓度以及燃烧时耗氧原理等对比材料的不同从而进行材料的评定。
同时在得出材料优点的同时也发现两种材料的缺点以及在应用的时候可能产生的危险后果。
关键词：
保温材料；EPS；PU；燃烧特性；
ABSTRACT
Inthebuilding,externalstructureoftheheatlossgreaterexternalstructureofthewalltheyaccountforalargeshare.Reformofbuildingwallsandwallbuildingenergy-savingtechnologyisanimportantenergy-savingtechnologysectors,thedevelopmentofexternalwallinsulationtechnologyismainlyembodiedenergy-savingmode.ExternalwallinsulationtechnologyoriginatedinEurope,Chinaisthemid-80sfromthe20thcentury,startedapilot,andthetechnologyiswidelyusedinconstructionfield.Butthecurrentlevelofbuildingenergyefficiencyisfarlowerthandevelopedcountries,China'sbuildingenergyconsumptionperunitareaofclimatesimilartothedevelopedcountriesis3-5times.Therefore,theconstructionindustryinthefuturetheapplicationofthermalinsulationmaterialswillbeabigtrend,inordertorationaluseofenergy,theuseofthermalinsulationmaterialmustbeaccountedfortheleadingrole.Alongwiththedevelopmentofenergy-savingtechnologiesinhousingconstructionarethemainuseofinsulationmaterials:
EPSboard,XPSfoamboardandpolyurethane（PU）sheetandsoon.Inthisthesis,EPSandPUpaneltostudytheobject,throughitscombustioncharacteristicsandanalysisofdataobtainedwhenthetwomaterialsintheeventoffire,theircharacteristics,tocomparetherelativesafetyofwhichtwomaterialssuitedtotoday'sconstructionindustryneeds,twomaterialsarecomparedbasedonfireriskjudgments.
Thisthesisfocusesonthecombustioncharacteristicsofinsulationmaterialsandprinciples,mainlytotestthecurrentevaluationmethodEPS,PUsheetpilotstudy,throughexperimentalresultsandthedifferencesbetweenthetwophenomenon,afteraseriesoftestdataanalysisforthedifferentmaterialsmaterialperformanceunderthesameexperimenthasbeensomepracticalconclusions.
Experimentsinthepaperinclude:
verticalburn,smokedensityandoxygenconcentration.Throughthematerialundercertainconditions,theflamespreadrate,resultingintheconcentrationoftoxicgasesandoxygencombustionrationaleofcomparingthedifferentmaterialstotheevaluationofmaterials.Whiletheadvantagesderivedmaterialsalsofoundthattheshortcomingsofthetwomaterialsandthetimeofapplicationmayhavedangerousconsequences.
Keywords:
thermalinsulationmaterial；EPS；PU；combustioncharacteristics；
目录
第1章绪论1
1.1保温材料火灾危险性研究的重要性1
1.2国内外的研究现状2
1.3保温材料的应用4
1.4火灾的产生及危险性4
第2章试验方法和参考标准的选择7
2.1参考标准7
2.2燃烧的标准方法10
2.3燃烧性能的实验方法10
第3章试验材料12
3.1EPS保温板（膨胀型聚苯乙烯保温板）12
3.2PU保温板（硬泡聚氨酯保温板）12
第4章保温材料的燃烧特性研究13
4.1实验方案13
4.2实验内容和过程13
4.2.1氧指数实验（GB/T2406）13
4.2.2烟密度试验（GB／T8627-1999）15
4.2.3垂直水平燃烧试验（GB/T2408-2008、GB/T2408-1996）19
4.2.4点着温度试验20
4.3实验现象和数据分析21
4.3.1氧指数实验：
21
4.3.2烟密度试验：
22
4.3.3垂直水平燃烧试验：
23
4.3.4点着温度试验25
4.4实验数据和曲线汇总分析27
4.4.1实验数据分析27
4.4.2试验曲线分析27
第5章结论31
致谢32
参考文献33
第1章绪论
1.1保温材料火灾危险性研究的重要性
随着我国经济建设的发展和人民生活水平的提高，人们对建筑及装饰装修材料在美观、舒适及其它功能方面提出了更高的要求，而我国科学技术和新型建材工业的发展也为这些需求的实现提供了充足的条件。
近年来各类新型装饰装修材料大量涌现并应用于各类建筑的室内装修。
品种繁多、花色新颖的新型建筑材料和装饰装修材料的广泛应用给人们的生活带来了美的享受和更多的便利。
但是在这些新型建筑材料、装饰装修材料中，相当多的产品含有大量可燃或易燃的高分子聚合物，在燃烧时还可能放出大量浓烟和有毒气体，具有潜在的火灾危险性。
尤其是内部的保温材料，有机化学聚合物燃烧时可以放出有毒性的气体如果采取了不适合的保温材料这使得危险性大大增加。
最近几年我国公共娱乐场所发生恶性火灾造成了严重的人员伤亡和经济损失，一些娱乐场所只注重外部的装饰效果忽视了其建筑装饰材料和保温材料的化学性质和质量是否符合规定的要求，以至于留下了严重的火灾隐患。
让人记忆犹新的新疆
克拉玛依市友谊馆特大火灾，致使325名师生死亡，120人受伤；其后不久发生的辽宁省阜新市艺苑歌舞厅特大火灾，又使233人惨遭焚毙。
2009年2月9日晚中央电视台新址北配楼电视文化中心发生大火，持续时间6小时，过火面积达10万平方米，7人受伤，其中一名消防人员牺牲。
该大楼共30层，高159米，建筑面积103648平方米。
主体结构为钢筋混凝土结构，外立面装饰材料南北侧为玻璃幕墙；东面立面为钛锌板幕墙，幕墙外层表面保温材料为XPS（聚苯乙烯挤塑板）内层表皮保温材料为防火棉，外皮表层防水材料为三元乙丙防水膜。
初步查明火灾是违规燃放烟花爆竹引起保温材料所致。
火灾沿保温材料面上下左右多方向迅速蔓延到整个大楼。
中央电视台2月13日通报专家组对火灾现场进行勘察的初步结果称这次火灾是新国成立以来建筑物燃烧最快的一例。
[1]
这些例子不难发现虽然火灾的原因各不相同但是火灾的迅速蔓延扩大是导致人员伤亡、财产损失的原因。
一些建筑内无视消防安全法规，用一些廉价的不符合规定的装饰材料和保温材料，一旦着火后果可想而知，当然了其他一些原因也影响到了整个事故的结果，比如人们对许多装饰材料和保温材料在火灾中的综合燃烧特性还不够了解，如保温材料的燃烧速度、燃烧过程中的烟气产生速率，是否产生有毒有害气体等等，以至于无法知道火灾发生后人员的情况从而给安全疏散以及火灾扑救造成了极大的困难。
所以保温材料的研究会有很大的意义，对人们认识保温材料提供基础的数据为以后选择合适的保温材料提供方便。
更重要的是一旦发生火灾合
适的保温材料能够将人员伤亡和财产损失大大降低。
结合目前国家对建筑节能的要求,泡沫保温材料以其轻质高强的特点得到了广泛的应用和关注。
那么这些保温节能材料在火灾中的实际反应如何？
燃烧特性如何呢？
尤其是在发生火灾时选择哪种保温材料能够更大限度的满足人们的安全需要显的尤为重要。
由于保温材料种类繁多，对其火灾时的特性需要逐个研究，本次研究将主要针对市场常见的EPS，PU保温板进行试验和分析并且对照现行的分级标准进行选择，到底哪种保温材料相对安全。
当然用同种的方法可以衍射到不同的材料，对以后各种保温材料的选取可以起到一定的参考作用。
1.2国内外的研究现状
国内和国外对建筑材料的燃烧危险性研究重点有相同的地方但是也存在一定的差异，因为材料在应用的方向有所不同当然包括地域和环境条件的差异，一些对材料的要求就有着明显的差异。
美国国籍建筑规范（InternationalBuildingCode）及其他一些建筑规范、国家防火保护协会（NationalFireProtectionAssociation，NFPA）101（NFPA101）生命安全规范等文件均对建筑材料和制品可燃性及其相关危害试验方法和标准作了相关规定。
在美国，为公众接受的判断标准和分级方法一般都参照国际建筑规范中的规定，该规定也是美国主要建筑规范。
这些规范均要求测试建筑材料的可燃性和火焰传播特性，它们的测试方法分别对应ASTME136《在750℃时立式管炉中材料特性试验方法》和ASTME84《建筑材料表明燃烧特性试验方法》，其中ASTME84还对可见烟的特征作了规定。
[2]在欧美等发达国家，对重要建筑、高层建筑进行外墙保温均有严格的要求。
一般要求对保温系统的绝热材料进行燃烧性能及耐火极限试验（同时考虑燃烧时烟气及毒性），并且分为若干等级，不同等级的系统和材料适合不同规范的建筑防火要求。
国外同行专家认为:
对外墙外保温系统来讲,最重要的是系统的质量和安全,因此考虑建筑保温的防火安全性是必须的,尤其体现在大城市的高层建筑中。
在世界范围内,对不同防火等级保温系统的建筑应用范围进行规定也因各国政府的政策和法规差异而有所不同。
例如:
德国将外保温防火问题分为3个层面:
1）在德国的法律法规中明确规定超过22m的建筑严禁使用有机可燃保温材料,因此聚苯板外保温系统只能用于低于22m的建筑中,高于22m的建筑大部分使用岩棉外保温系统。
2）在欧洲标准规范ETAG004《有抹面层的外墙外保温复合系统欧洲技术标准认证》中规定对外保温防火性的测试方法要按照CEN分级文件EN1350121《建筑产品或组件的燃烧性能分级———第1部分:
使用火反应试验数据分级》进行阻燃等级A1～E的测试。
防火等级的测定和相关测试需进行2次:
一次为整个体系,另一次仅为保温材料。
在测试时需要考虑火焰在系统保温材料中蔓延的可能性,系统供应商应推荐一种防火隔离来防止火势蔓延。
作为系统的一部分,其防火性能可参照产品
性能列表或大尺寸试验的结果而定。
同时对外墙外保温的防火要求将依据法律法规和适用于建筑物最终使用的管理条例而定。
在德国将防火等级分为A～B3级,按照德国标准,聚苯板材料和保温系统的防火等级应达到B1级,按照DINEN1350121,聚苯板材料和保温系统均要达到B/C级要求。
3）当聚苯板外保温系统中的聚苯板厚度大于100mm时,需在满足1）的条件下再进行防火构造以满足建筑防火安全规定。
在每个窗楣和门楣上口加入不燃高强矿棉防火隔离带,厚度同聚苯板,向上宽度大于200mm；长度为窗口两侧向外延伸300mm以上,用满粘的方式铺帖。
主要防止室内发生火灾时,火势从窗口部位点燃外墙外保温系统并引起火灾蔓延的发生。
[3]
国内对外墙外保温系统防火技术的研究和重视程度还远远不够,几乎所有提及的内容都是关于系统所采用保温材料的燃烧性能,在外保温行业标准中对有机保温材料的要求也仅仅是氧指数和可燃性试验指标。
我国现行《高层民用建筑设计防火规范》（GB500452-2005）尚无针对外墙外保温的防火设计内容。
对外墙外保温系统缺乏分级标准和使用范围限定,外墙外保温防火技术也没有国家或行业标准及规范,生产企业的产品说明书中一般缺少防火性指标,进入中国的外墙外保温著名外企也回避了防火问
题。
而与国外不同的是,中国城市尤其是高层建筑火灾的人口密度、建筑密度大,高层建筑所占比例也越来越大,由于火灾发生时救援难度大,对建筑的综合防火技术尤其是外墙外保温的防火技术要求应该更高。
目前在国内外墙外保温系统中占有主导地位的有机保温材料薄抹灰系统存在如下关于防火性能的问题:
1）有机保温材料薄抹灰系统在发达国家因防火性能要求对其使用范围有严格的限制,但在国内没有标准对此做出规定。
几乎所有有机保温材料薄抹灰外墙外保温的生产单位对火灾隐患视而不见,一些国际著名的外墙外保温公司进入中国市场后没有表现出对社会、对人民生命财产负责的态度,无视其产品在本国因防火安全性达不到要求而对其产品的使用范围进行限制的规定,利用我国外墙外保温市场不规范和标准不健全的现状,在高层甚至170m的超高层建筑中依然采用,这种做法应引起国内相关部门的高度重视。
2）国内高层甚至超高层建筑中使用有机保温材料薄抹灰网格布粘贴面砖的外墙外保温做法较为普遍,其危险性在于:
由于粘贴面砖后保护层厚度增大一旦火灾发生,前期的耐火性能由于涂料饰面系统而增强,但是如果火灾持续,不仅有机保温材料燃烧产生的有毒气发展处于粗放式发展的初期,虽然意识到外墙外保温系统防火安全性应该得到重视并且在标准中有所体现,但由于当时基础研究薄弱,缺乏试验研究的基础数据支撑,同时受技术水平所限,在已经发布的《膨胀聚苯板薄抹灰外墙》外体和火焰会给逃生者带来巨大危险,同时因有机保温材料受热产生的热熔缩变形及网格布过热折断而导致面砖坠落,会伤害逃生人员和救助人员，潜在危险是致命的。
我国在外保温保温系统》（JG1492-2003）《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》（JG1582-2004）《外墙外保温工程技术程》（JG1442-2005）标准中,也只是提到了保温材料的防火性能而未过多展开。
[4]
根据国内和国外的研究现状我们所做的这项研究可以很好的融入到现有的研究行列，对现有的建筑保温材料研究提供一个有说服力的平台，让我们的研究更加具有实际意义。
1.3保温材料的应用
我国目前是世界上最大的建筑市场，我国建筑面积达400亿m³，每年新增建筑面积20亿m³，而目前我国新建筑中95%以上是高耗能建筑，建筑能耗已经达到全社会能耗的27%。
若不采取节能措施，到2020年将有50%全国能源消耗在建筑上。
据有关部门统计，我国建筑围护结构保温性能普遍较低，外墙和窗口的热导率系数为同等发达国家的3-4倍，外墙单位建筑面积能耗要高出4-5倍，我国建筑单位面积总热量为气候条件接近的发达国家高出2-5倍。
[5]由此表明我国建筑节能方面的发展空间很大，而保温材料在节能上起着主导作用所以保温材料能运用到大多数的节能项目上。
我们这项研究的材料在国内外的消耗水平是什么样呢？
据有关资料报道，欧美等发达国家和建筑保温材料中约有49%采用PU材料，但在我国目前还不到10%,EPS/XPS在欧洲和美国建筑节能保温材料中占有率小于10%,在中国占80%.根据国际板材制造商协会公布的资料表明,PU/PIR（聚异氰尿酸酯）板材在发达国家占建筑节能板材总消费量的73.8%，EPS/XPS只占20.6%。
其中有机泡沫塑料板材达到了建筑节能材料消费量的94.4%。
中国塑料加工协会PU专业委员会高级顾问孟扬教授做过粗略计算，按照中国的建筑市场每年新增建筑面积20亿m³，按65%节能标准计算，年需PU保温材料为100万t/a。
对400亿m³建筑能耗既有建筑每年也已20亿m³节能改造计算，每年也需100万t/aPU保温材料。
由此可见我国以后光建筑方面就给保温材料提供的巨大的应用空间。
[6]
1.4火灾的产生及危险性
火灾是一种特殊形式的燃烧现象。
为了科学合理地预防控制火灾，应当对燃烧的基本理论有一定的了解。
燃烧是可燃物与氧化剂之间发生的剧烈的化学反应，两者缺一都会导致燃烧反应无法进行，某种物质发生燃烧也必定会生成一些特定的产物。
在通常条件下，可燃物和氧化剂可以独立而稳定的存在，要使他们发生化学反应需要提供额外的能量，反应的结果则会发出大量的热能。
1、可燃物：
凡是能与空气中的氧或其他氧化剂起燃烧化学反应的物质称为可燃物。
可燃物按其物理状态分为气体可燃物、液体可燃物和固体可燃物三种类别。
可燃烧物质大多是含碳和氢的化合物，某些金属如镁、铝、钙等在某些条件下也可以燃烧，还有许多物质如肼、臭氧等在高温下可以通过自己的分解而放出光和热。
2、氧化剂：
帮助和支持可燃物燃烧的物质，即能与可燃物发生氧化反应的物质称为氧化剂。
燃烧过程中的氧化剂主要是空气中游离的氧，另外如氟、氯等也可以作为燃烧反应的氧化剂。
3、温度（引火源）：
是指供给可燃物与氧或助燃剂发生燃烧反应能量来源。
常见的是热能，其它还有化学能、电能、机械能等转变的热能。
4、链式反应：
有焰燃烧都存在链式反应。
当某种可燃物受热，它不仅会汽化，而且该可燃物的分子会发生热烈解作用从而产生自由基。
自由基是一种高度活泼的化学形态，能与其他的自由基和分子反应，而使燃烧持续进行下去，这就是燃烧的链式反应。
[7]
当燃烧时其产生的火焰、有毒有害气体、热量、刺激性物质会直接对人造成伤害，其间接伤害如：
将氧气耗尽、使建筑物强度发生变化使得对人造成物理伤害等等。
而这些伤害造成的死亡率是相当高的所以我们必须了解火灾产生时对人的伤害并且去积极的采取措施防止造成巨大的人员伤亡。
我们可以看看燃烧时的几个阶段进一步了解它的过程，从燃烧发展的微观角度看，可将其分为以下几个阶段：
第一阶段，吸热过程。
当材料周围有热源或火源存在时，接近热源或火源的材料表面的结构分子吸收外界的能量，分子运动加剧，分子的间距加大。
第二阶段，热解过程。
材料表面的结构分子运动的加剧导致其表面温度的升高。
当表面温度上升到一定温度时，被加剧运动的表面分子由于继续吸收热量，使得组成分子的各原子之间的引力平衡遭到破坏，各原子之间开始重新组合，形成更小的分子，材料表面开始热解过程，产生CO、CO2、HCL、H2O、HCN以及甲醛、丙烯酸、醇类、醚类等有机挥发性物质。
第三阶段，发烟阶段。
随着材料热解运动的加剧、热解范围的扩大，材料本身将分解出更多的气体，分解出的气体分子聚合成大直径的芳香或多环高分子化合物，并进而形成碳颗粒。
由于气体分子的热对流作用，使得有机物气化后残留的炭颗粒随之挥发，形成有色烟雾。
第四阶段，火焰扩散。
随着材料热解运动的加剧、热解范围的扩大以及表面温度的升高，气化产物越来越多，烟雾越来越浓。
伴随产生的是气化产物的二次分解，形成包括CO在内的可燃性气体。
当可燃性气体达到一定浓度且材料表面达到一定温度时，可燃性气体与O2发生轰燃，由此火焰开始扩散。
第五阶段，全燃阶段。
当扩散的火焰引燃周围所有的可燃物质时，材料的燃烧达到平衡状态。
材料的热释放以及产生的气体和烟雾维持在一定的速度水平。
[8]
第六阶段，火灾衰减。
随着可燃物的燃烧，可燃物的总量逐步减少。
当材料气化产生的可燃气体总量开始减少时，标志着可燃物质即将耗尽，火焰强度开始衰减，直至形成阴燃或熄灭。
[9]
其中，第一、第二、第三阶段属于材料对火反应的初期阶段，尚未形成火灾，对生命财产不构成危害，但对火灾报警至关重要。
第四、第五、第六阶段，材料燃烧产生了大量烟雾及有毒气体将危及人身安全。
对应到室内火灾来看，通常就将室内火灾的整个过程分为三个阶段即火灾发展、完全燃烧和火灾衰退。
见图1.1：
图1.1室内火灾发展的阶段
防火设计和材料阻燃的目的就是为了防止和延缓到达轰燃的时间，为灭火和逃生赢得时间。
当然了能在材料燃烧的发展阶段有效地阻止火灾的蔓延对评价一种建筑材料的火灾危险性起到绝对性的作用。
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