SBI單體燃燒試驗裝置和錐形量熱儀用于建筑制品材料的測試

隨著城市建設腳步的不斷推進，我國建筑迅猛發展，不斷趨于現代化、大型化以及多功能化發展方向。

然而，在這快速發展的背后，一系列火災風險也逐漸暴露出來。經分析發現，這些火災風險的主要原因，很大程度上是建筑施工過程中使用了大量存在嚴重火災隱患的易燃有機材料。

從建筑材料的選擇和使用這一源頭出發，消除建筑物中的火災安全隱患已然轉變成我國當前亟待解決的一大問題 [1] 。

因此，對于建筑材料的燃燒的研究，加大對建筑材料的阻燃測試及檢驗，準確地檢測建筑材料的燃燒等級變得十分重要。

建筑材料燃燒性能分級檢測設備主要有：單體燃燒實驗設備（簡稱 SBI 試驗裝置）、鋪地材料熱輻射板測試儀、建材可燃性檢測儀、建筑材料燃燒熱值試驗儀、建筑材料不燃性檢測儀、氧指數檢測儀、UL 94 垂直燃燒測試儀、錐形量熱儀等。

其中，SBI 是一種大型實驗裝置，該設備所測得參數值是材料等級分級的核心部分[2]。

國內外眾多學者利用SBI單體燃燒試驗裝置對建筑制品材料進行阻燃研究。 如 S´everine Bellaye 等人，在法國的實驗室中搭建了小型模擬SBI單體燃燒裝置，對用于建材木板的防火凝膠進行研究測試，發表了《Transparent fire protective sol-gel coating for wood panels》等文章；英國阿爾斯特大學 Zhang 等人發表的《Experimental and numerical study of burning behaviors of flaxboard with intumescent coating and nanoparticles in the cone calorimeter and single burning item tests》中，使用錐形量熱儀和SBI單體試驗裝置研究了膨脹涂層和納米粒子對建筑板材的燃燒行為的影響；國內2013年發表的《建筑材料單體燃燒實驗設備的構成及使用》、2019年發表的《基于單體燃燒試驗的木飾面板燃燒性能分析》等。

2024年，北京建材院、北京雅達潤邦建筑材料和北京科技大學聯合發表了一篇名為《一種無機復合聚苯板的制備與燃燒性能研究》的文章，文章中使用了 FTT  的多個阻燃設備對無機復合聚苯板進行了研究, 探究了自制阻燃漿液對EPS泡沫板的阻燃性能。

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/ 實驗內容 /

該研究自制了含有阻燃漿液的無機復合聚苯板，即將 EPS 泡沫板基材置于孔隙均勻分布的負壓狀態下，在順孔后的 EPS 泡沫板表面均勻涂敷自制的混合阻燃漿料，重復刮除多余漿液，使阻燃漿料填滿 EPS 泡沫珠之間的孔隙；后室溫下自然通風靜置養護干燥，得到試驗樣品 EPSC 。

研究按照GB/T 2406.2-2012、GB/T 16172-2007、GB/T 20284-2006等標準，使用 FTT 的氧指數儀、錐形量熱儀以及SBI單體燃燒裝置對樣品進行測試。獲得了臨界氧指數 (LOI) 、點燃時間 (TTI) 、熱釋放速率 (HRR) 、總熱釋放 (THR) 、產煙速率 (SPR) 、總產煙量 (TSP) 及燃燒增長速率指數火焰蔓延等參數。

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/ 實驗內容 /

氧指數：EPSC 材料的氧指數為 39.7%，相較于 EPS 的18.3%，提高了116.9%，阻燃性能顯著提高。

引燃及熱釋放特性：材料在不同輻射照度下的引燃時間如下圖所示。2個樣品的引燃時間隨輻射照度的增加而縮短。由于 EPS 樣品輻射加熱后收縮熔融，導致樣品表面與加熱錐之間的距離變大，輻射照度為 25kW/㎡ 時無法引燃；而輻射照度為 35 kW/㎡ 時，由于 EPS 的收縮熔融現象，使得其引燃時間相比 EPSC 推遲了88 s；輻射照度繼續增大到 50 kW/㎡ 時，EPS 的引燃時間大幅縮短，比  EPSC 僅多 6 s

錐形量熱儀測試中 EPS、EPSC 不同輻射照度的引燃時間

EPS 和 EPSC 在不同輻射照度下的熱釋放速率 （HRR）和總釋放熱（THR）曲線如下圖所示?？梢钥闯觯嗤椛湔斩认?EPSC 的熱釋放速率峰值（PHRR）與 THR 顯著低于  EPS 泡沫基材。

(a) 25 kW/㎡              (b) 35 kW/㎡           (c) 50 kW/㎡

錐形量熱儀測試中 EPS 與 EPSC 在不同輻射照度下的 HRR 曲線

(a) 25 kW/㎡            (b) 35 kW/㎡          (c) 50 kW/㎡

錐形量熱儀測試中 EPS 與 EPSC 在不同輻射照度下的 THR 曲線

表1顯示了 3種樣品在不同輻射照度下的錐形量熱儀測試數據，包括 PHRR、到達 PHRR 的時間（tp）和 THR。

表1 EPS 與 EPSC 在不同輻射照度下的測試數據

可以得出，輻射照度為 35 kW/㎡時，EPSC 的 PHRR 和 THR 相對 EPS 分別下降了 80% 和 56%；輻射照度為50 kW/㎡時，EPSC 的 PHRR 和 THR 相對 EPS 分別下降了79%和44%；這表明，相較于純 EPS 泡沫板材 ，EPSC 材料的阻燃性能得到了很大的提升。

產煙特性：兩種材料在不同輻射照度下的產煙速率（SPR）和總產煙量（TSP）曲線如下圖所示。

(a) 25 kW/㎡              (b) 35 kW/㎡           (c) 50 kW/㎡

錐形量熱儀測試中 EPS 與 EPSC 在不同輻射照度下的 SPR 曲線

(a) 25 kW/㎡            (b) 35 kW/㎡          (c) 50 kW/㎡

錐形量熱儀測試中EPS與EPSC 在不同輻射照度下的 TSP 曲線

可以看出，在相同的輻射照度下，EPSC 的產煙速率峰值（PSPR）和 TSP 明顯小于 EPS 泡沫基材; 隨著輻射照度的增加，兩種材料的 PSPR 和 TSP 均有所增大。

由EPS 與 EPSC 在不同輻射照度下的測試數據可知 ，輻射照度為35 kW/㎡ 時，EPSC 的 PSPR 和 TSP 相對 EPS 分別下降了 94% 和 90%；輻射照度為 50kW/㎡ 時，EPSC 的 PSPR 和 TSP  相對 EPS 分別下降了97% 和 89%；這表明 EPSC 材料的抑煙性能明顯優于 EPS 泡沫。

火蔓延特性：通過單體燃燒裝置測試了 EPSC 樣品在中尺寸壁面安裝條件下的燃燒性能和火蔓延特性，EPSC 樣品測試前后的照片如下圖所示 ?？梢钥闯?，在單體燃燒 試驗中 EPSC 未被火源引燃，只有墻角部位的樣品表面被主燃燒器的火焰熏黑 ，并且試驗期間未發生火焰橫向蔓延到長翼邊緣的現象。

(a) 測試前  (b) 測試后

EPSC 試樣單體燃燒測試

熱釋放特性：下圖分別為主燃燒器開啟到試驗結束 EPSC 的 HRR、每 30 s 的平均熱釋放速率（HRRav）和 THR 曲線。由 (a)、(b)可以看出，在受火時間內（300 s≤ t ≤1500 s）EPSC 的 HRR 和 HRRav 曲線變化趨勢較平穩且低于3.0 kW；由 (c) 可以看出，在受火時間內 ，EPSC 的熱釋放總量僅為 1.6 MJ；由(b) 可知，試驗期間 EPSC 的 HRRav 值不超過3.0 kW，根據 GB/T 20284-2006 附錄第 A.5.3 條款可確定 EPSC 的 FIGRA0.2 MJ 值為 0。

(a) SBI熱釋放速率    (b) SBI每30s內平均熱釋放速率  (c) SBI熱釋放總量

EPSC 試樣單體燃燒試驗的 HRR、HRRav和 THR 曲線

由表2可以看出 ，EPSC 的 FIGRA0.2 MJ 為 0 W/s，THR600 s 為 0.7 MJ。根據 GB 8624-2006《建筑材料及制品燃燒性能分級》，可判斷 EPSC 保溫材料的燃燒性能等級達到 A2 級，屬于不燃材料。

表2 EPSC 單體燃燒測試數據

產煙特性：下圖為 EPSC 樣品在單體燃燒測試過程中 60 s 內的平均產煙速率 SPRav (60s)和 TSP 曲線。由圖8（a）可以看出，EPSC 的 SPRav（60 s）曲線在受火過程中，始終處于無序波動狀態，并且峰值低于 0.4 ㎡/s。由圖8 (b)可以得出，EPSC 的總產煙量約為120 ㎡。

(a) SBI每60 s內平均產煙速率                 (b) SBI總產煙量         

EPSC 試樣單體燃燒測試的 SPRav(60 s)和 TSP 曲線

SMOGRA 是煙氣生成速率指數，其計算公式如下面公式所示。

式中 ：SPRav（60 s）為受火時間60 s 內的平均產煙速率，㎡/s。TSP600 s為試樣在受火期最初 600 s 內的總產煙量，計算公式如下面所示。

根據上述公式，計算得到 EPSC 樣品的 SMOGRA 和 TSP600 s ，SMOGRA 為 10.7  cm²/s² ，TSP 600 s為 33.7 ㎡，而根據《建筑材料及制品燃燒性能分級》，判斷 EPSC 保溫材料的產煙特性等級達到了 S1 級。

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/ 結論 /

以低密度 EPS 泡沫板為基材，利用半水硫酸鈣等無機添加劑制備阻燃漿液，通過負壓順孔與負壓吸附技術成功制備 EPSC 復合保溫材料，其力學及保溫性能良好；氧指數達到 39.7%，阻燃性能好。且錐形量熱儀及SBI單體燃燒測試結果進一步顯示，EPSC 的 PHRR、THR、PSPR 以及 TSP 相比 EPS 均大幅降低，阻燃性能提高。制備的 EPSC 保溫材料燃燒性能等級達到 A2 級，屬于不燃材料，其產煙特性等級達到 S1 級。 

本研究可為阻燃泡沫板研究提供一定的理論參考。

注：本稿內容摘自《一種無機復合聚苯板的制備與燃燒性能研究》。滅火劑與阻燃材料, 2024, 43(03): 412−418

參考文獻：

[1] 韋志功, 王彥成. 建筑材料阻燃技術研究進展[J]. 四川水泥, 2019, (05): 11, 205.

[2] 王, 趙躍山, 耿震崗. 建筑材料單體燃燒實驗設備的構成及使用[J]. 機械管理開發, 2013,(4): 48-49.

在研究過程中，研究團隊使用了英國 FTT 公司的SBI單體燃燒裝置和錐形量熱儀以及氧指數儀進行測試。

FTT 作為阻燃設備行業的老牌企業，提供了諸多符合國際和國內標準的阻燃設備，為全球范圍內的防火測試和科學研究作出了重要貢獻。