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酚醛泡沫铝单板幕墙保温系统防火性能研究
黄振利1 居世宝1 季广其2 殷宜初3（1.北京振利高新技术有限公司，北京 100073； 2．中国建筑科学研究院建筑防火研究所，北京 100013；3．上海市合成树脂研究所，上海 201103）【摘 要】 酚醛泡沫作为防火保温材料，其性能指标满足外墙外保温系统的各项要求，考察防火等级为B1难燃级的酚醛泡沫应用于最苛刻的铝单板幕墙系统窗口火试验中保温材料的破损情况以及火焰在系统表面和内部传播的范围和状态，分析该材料在有无防火构造措施情况下的燃烧性能。通过试验研究，充分论证了防火隔离带、防火保护层、无空腔构造措施的可行性和有效性，抓住防火的关键要素——热释放速率和火焰传播两个指标，明确外保温防火实验方法、防火分级标准和适用高度，才更有利于保障外墙外保温系统防火的安全性和工程质量的长期稳定性。【关键词】 防火保温材料 防火构造措施 酚醛泡沫 实验方法 防火分级标准 Fire Protection Performance Study of Phenolic Foam in Aluminum Curtain Wall Insulation System HANG Zhen-li1， JU Shi-bao1， JI Guang-qi2， YIN Yi-chu3(1. Beijing Zhen Li High-tech Co., Ltd. Beijing 100073, China; 2. China Academy of Building Research Institute of Building Fire, Beijing 100013, China; 3. Shanghai Research Institute Of Synthetic Resins, Shanghai 201103, China)【Abstract】 Phenolic foam is a fireproof and thermal insulation material,its performance and specifications satisfy exterior insulation for exterior wall external insulation system requirements. For the study of class B1 fire rating ,Phenolic foam board is tested with or without structural measures under the conditions of fire prevention. The window fire breakage of phenolic foam in aluminum curtain wall system is tested in the most critical demanding fire. The flame propagation in the system and the internal surface of the scope and status are tested. Analysis of the material structural measures in case of fire without burning performance based on the experiment, fully demonstrated the Fire Barrier, fire protection layer, no cavity feasibility and effectiveness of structural measures. adhere to the structural fire- based, supplemented by the concept of fire protection materials, seize the key elements of fire prevention, heat release rate and flame propagation of two indicators, Clear insulation fire test methods, fire classification standards and the applicable height, In the interest of protection of exterior insulation and fire safety systems and quality of long-term stability. 【Key words】 fireproof and thermal insulation material， fire protection structural measure，phenolic foam， experimental methods， grading Standard for fire protection0、前言酚醛泡沫（Phenolic Foam，简称PF）是新型有机高分子保温材料，被誉为保温之王。酚醛泡沫不仅导热系数低、保温性能好，还具有难燃、热稳定性好、质轻、低烟、低毒、耐热、力学强度高、隔音、抗化学腐蚀能力强等多项优点，酚醛泡沫塑料原料来源丰富，价格低廉，而且生产加工简单，它可以现场浇注发泡、可模制、也可机械加工，可制成板材、管壳及各种异型产品。它克服了传统泡沫塑料型有机高分子保温材料易燃、多烟有毒、遇热变形等缺点，保留了传统泡沫塑料型保温材料质轻、施工方便等特点。由于其本身特殊的结构特点所决定：酚醛树脂分子主链上含有大量的芳基，热解残碳量高，燃烧的炭化层迅速覆盖在燃烧着的复合物表面，从而使火焰熄灭。酚醛树脂所具有的这些优良性能，为将它用于外墙外保温防火保温材料提供了可能性。1、酚醛泡沫优异的防火性能酚醛泡沫无需加入任何阻燃剂，氧指数即可高达40，属B1级难燃材料。添加无机填料的高密度酚醛泡沫塑料氧指数可达60～70，燃烧等级可达到A级，酚醛树脂分子结构中碳原子比例高，苯酚分子是良好的自由基吸收剂，在高温分解过程中，由断裂的甲撑桥生成的自由基迅速被苯酚分子吸收，组织反应继续进行，泡沫遇见火时表面能形成结构碳的“石墨泡沫”层，有效地保护了层内的泡沫结构，在材料一侧着火燃烧时，另一侧的温度不会升得较高，也不扩散，当火焰撤除后，火自动熄灭。由于石墨层的存在，表面无滴落物、无卷曲、无熔化现象、不具有火焰传播性，燃烧时的最大烟密度（SDR）不超过5，酚醛分子中只有氢、碳和氧分子，在高温分解时，只能产生氢、碳和氧构成的产物，除少量CO外，没有任何其它有毒气体，所以发生火灾时也便于消防员救援。最终固化的酚醛泡沫具有包括数个苯酚环并有甲撑桥连接的结构，由热力学可知，甲撑桥是有机物连接中受温度影响最小最为稳定的连接之一，这使得酚醛泡沫具有优异的热稳定性，可在150℃长期使用，短时间耐热200℃。经测定酚醛泡沫在1000℃火焰温度下，抗火焰能力可达120分钟，因此在耐火板材中得到应用，可制成酚醛泡沫防火墙。利用酚醛泡沫塑料的绝热、抗化学腐蚀性制成的保温材料，广泛用于石油化工、食品、交通运输、宾馆、公寓、医院等高级建筑物的外墙外保温板等行业，节能效果极其明显。2、外墙外保温系统的构造防火研究外墙外保温系统是否具有防火安全性，要考虑点火性和传播性两个方面的问题。点火性是指在火源或火种的条件下，系统是否能够被点燃或引起燃烧的产生，即系统自身的燃烧性能要求。传播性是指当有燃烧或火灾时，系统是否具有传播火焰的能力，即系统对外部火源攻击的抵抗力或抗火性能要求。从防火安全性的角度来看，外保温系统大致分为两类：一类是采用不燃保温材料的外保温系统，系统自身构造具有良好的防火安全性能；另一类是采用有机高分子保温材料的外保温系统，系统自身构造不能完全满足防火安全性要求，或具有较大的火灾危险性，应采取有效的防火构造措施。当外保温系统的保温材料采用不燃性材料或不具有传播火焰的难燃性材料时，外保温系统几乎不存在防火安全性问题。但是，在中国目前的技术条件下，聚苯乙烯泡沫（EPS、XPS）聚氨酯泡沫（PU）等可燃有机高分子保温材料在建筑外保温系统中的使用最为广泛，这是产生外保温系统防火安全性问题的起因，而随着节能标准逐步提高，胶粉聚苯颗粒、膨胀珍珠岩等浆料保温材料因为其导热系数高，无法满足较高节能标准，逐渐被限制和禁止使用。自 2005年至今，因为保温材料引发的火灾越来越多，2009年比较典型的火灾有央视新址园区在建的文化中心楼、中央美院宿舍楼、中国科技馆新馆、济南全运会场馆火灾、南京中环国际大厦又是一场大火等。面对外墙外保温材料引发火灾事故的严酷现实，市场对提高保温材料防火性能的呼声也越来越高。触目惊心的火灾案例给我们以足够的警示，因此，高层建筑的外保温防火安全性问题必须提上日程。2.1 外墙外保温防火技术现状2007年由北京振利高新技术有限公司、中国建筑科学研究院防火研究所、 北京六建公司、清华大学、北京建筑设计标准院、建设部发展促进中心、中国建筑材料科学研究院、北京市消防产品质量监督监测站八家单位共同完成了目前全国唯一一个国家科研成果“外墙保温体系防火试验方法、防火等级评价标准及建筑应用范围的技术研究”，与 2007年9月正式通过专家验收，并明确将外墙外保温系统防火试验方法、防火分级及适用高度列入标准。经建设部正式批准后成为《建设部2006年科学技术项目计划》研究开发项目编号：06-K5-35。在保温材料燃烧性能等级满足基本要求的条件下，以热释放速率峰值和火焰传播性的技术指标对外保温系统整体构造的防火性能进行分级（热释放速率峰值和总放热量是评价外保温系统抗火能力的关键技术指标，与其火焰传播性具有一定的内在对应关系。从本质上讲，热释放速率的大小与保护层的厚度直接相关，而保护层厚度是影响外保温防火性能的关键要素之一，因此，热释放速率峰值是评价外保温系统整体防火安全性能的主要技术参数），并确定不同等级外保温系统的适用建筑高度，是解决我国外保温防火问题的必由之路。外保温系统防火等级划分是提高防火安全性的有效途径。表一 非幕墙式居住建筑外墙外保温系统对火反应性能外保温系统防火级别 对火反应性能 热释放速率峰值（kW/m2） 窗口火试验 水平准位线温度（℃） 烧损面积（m2）J-Ⅰ ≤5 T2≤200且T1≤300或T2≤300（当选用保温燃烧性能等级为A级时） ≤5J-Ⅱ ≤10 T2≤200且T1≤500 ≤10J-Ⅲ ≤25 T2≤300 ≤20J-Ⅳ ≤100 T2≤500 ≤40表二 非幕墙式公共建筑外墙外保温系统对火反应性能外保温系统防火级别 对火反应性能 热释放速率峰值（kW/m2） 窗口火试验 墙角火试验 水平准位线温度（℃） 烧损面积（m2） 横向火焰传播距离 烧损面积（m2）G-Ⅰ ≤5 T2≤200且T1≤300或T2≤300（当选用保温燃烧性能等级为A级时） ≤5 ≤1.52 ≤10G-Ⅱ ≤10 T2≤200且T1≤500 ≤10 ≤3.04 ≤20G-Ⅲ ≤25 T2≤300 ≤20 ≤5.49 ≤40表三 幕墙式建筑外墙外保温系统对火反应性能要求外保温系统防火级别 对火反应性能 热释放速率峰值（kW/m2） 窗口火试验 墙角火试验 水平准位线温度（℃） 烧损面积（m2） 横向火焰传播距离 烧损面积（m2）M-Ⅰ ≤5 T2≤200且T1≤300或T2≤300（当选用保温燃烧性能等级为A级时） ≤5 ≤1.52 ≤10M-Ⅱ ≤10 T2≤200且T1≤500 ≤10 ≤3.04 ≤202.2 外保温系统防火试验方法对外保温系统进行防火安全性能评价是以试验为基础的，试验方法所采用的试验模型应能够表征系统在实际火灾中的状态，试验结果应客观地反映外保温系统的防火安全性能。只有选择正确的试验方法，才能客观、科学地评价外保温系统防火安全性能。从试样尺度划分试验方法的类别，包括小尺寸试件试验、中尺寸试件试验和大尺寸模型火试验。表四 外保温系统的防火安全性试验方法表不同比例模型火试验 试验方法 试验核心小比例的模型火试验 锥型量热计试验ISO5660 针对局部构造或单一材料 可燃性试验GB/T8626 针对单一材料 氧指数试验GB/T2406 针对单一材料 泡沫垂直燃烧GB/T8333 针对单一材料中比例的模型火试验 SBI试验EN13823 针对局部构造或单一材料 燃烧竖炉试验GB/T8625 针对局部构造或单一材料大比例的模型火试验 墙角火试验UL1040 针对整个构造系统 窗口火试验BS 8414－1 针对整个构造系统2.3 外墙外保温防火构造三种形式
