四种有机保温材料的受热过程分析_孙诗兵
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518.1℃，失重率为 9.534%，最终试样的质量残留率为 9.1%。由于加入了阻燃剂，受热
后分解的初始温度在 300℃左右
PU 的失重及其对应热解过程分为两个阶段，一个阶段为室温到 403.5℃，表现出
较大的裂解失重，第二个阶段为 403.5℃到 700℃，其裂解失重程度高于上一阶段。PF
的失重及其对应热解过程分为两个阶段，在受热开始的时候就有缓慢的失重过程，第二
关键词：机保温材料；受热过程；TG-PTIR；氧指数 ﹡北京市自然科学基金资助项目：建筑有机保温材料受热行为研究（项目编号 2112004）
Research on heating processing of four kinds of organic thermal insulation materials
常用的四种有机保温材料，塑料模塑聚苯乙烯（EPS）、挤塑聚苯乙烯（XPS）和热固性 塑料聚氨酯泡沫塑料（PU）和酚醛树脂泡沫塑料(PF)，进行试验，分析其受热过程中的
热解特性，逸出气体，观察形态和体积变化，并测定了氧指数。
1 实验 1.1 实验原料和仪器 有四种外墙外保温试样：模塑聚苯乙烯、挤塑聚苯乙烯、聚氨酯泡沫塑料和酚醛树
次/s，红外测试气体温度为 200℃。试验中，高纯氮气为保护气。 应用热重分析软件 Thermal Analyst 和 ThermalAcq TherMax，对试样热解失重过程
进行以下分析：(1) 绘制 DTG 曲线，做 TG 曲线的一阶导数得出 DTG 曲线，通过分析 TG 和 DTG 曲线，得出材料的各失重阶段的变化规律。(2) 得出着火和热解温度。(3) 热 解过程分析：初始挥发析出温度、失重峰位置、失重速率、产生失重峰的原因、温度失重阶段、失重速率、挥发分初析出温度。应用红外光谱分析软件 OMNICTM software
熄，燃烧后可保持一定的形状，炭化后继续加热仍然有刺激性烟气产生。一旦引燃，着
火蔓延速度很快，不利于消防措施的实施和及时救援，具有很大的火灾危险性。PF 燃
烧为有焰燃烧，且燃烧速度较慢，氧浓度低时可自熄，燃烧后不能保持一定的形状，释 放气相产物毒性较少，较利于消防措施的实施和及时救援[11]。
表 2 氧指数测试结果 Table 4-2 Result of LOI
个阶段为 260.4 ℃到 750 ℃，其裂解失重显著，450℃左右有瞬间失重现象，说明在此
温度材料发生了轰然，导致材料质量瞬间下降。
120
100
1
80
2
34
60
r=10oC/min,air60ml/min
1
EPS
2
XPS
3
PU
4
PF
质量残余率( %)
40
20
0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 温度（℃）
目前，建筑外墙外保温系统中常用的有热塑性塑料模塑聚苯乙烯（EPS）、挤塑聚苯 乙烯（XPS）和热固性塑料聚氨酯泡沫塑料（PU）和酚醛树脂泡沫塑料(PF)。虽然这些
外墙有机保温材料在保温节能方面都具有很大的优势，但由建筑外墙外保温材料引起的
严重火灾频繁发生，火灾造成的损失巨大，防火性能是保温材料一项重要性能。国外对
Sun Shi-bing, Chen Meng, Wang Zhao-jun, Gao Qin
College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124
Zhang Yin-xiang, Yang Hong-chang Beijing Jing Ye Da New Building Material Company, Ltd, Beijing 102605
试样名称
类型
试验现象
氧指数 LOI（%）
EPS
热塑性
熔滴，大量烟气，并有呛人气味
35.4
XPS
热塑性
熔滴，大量烟气，呛人气味
31.2
PF
热固性
引燃，外层成炭，氧浓度低自熄
31.7
PU
热固性
炭化，大量黑烟，蔓延速度快试样弯曲
25.0
2.2 热重-红外试验结果与分析 图 2 为四种材料空气气氛下的热重曲线。EPS 的失重及其对应热解过程分为两个阶 段，一个阶段为 361.3℃到 441.6 ℃，表现出强烈裂解失重，第二个阶段为 525.7℃到 700℃，其裂解失重程度不如第一阶段显著。 XPS 试样在室温至 700℃有 3 个明显的热失重阶段，质量损失基本可划分为三个阶 段[2]。先有一部分的内部化学键发生断裂，试样质量减少。此阶段试样的分解温度 Ti1 为 274.5℃，失重速率在 295℃达到最大，为 0.25%/min，失重率为 4.62%。第二阶段 305.6 ℃~ 408.1℃出现一个平台，试样在这个温度范围内只有少量支链断裂，或许是阻燃剂等 添加剂的分解。408.1℃ ~ 452.2℃范围内，试样的失重速率迅速增加，并在 435℃达到 最大值，为 1.6%/min。此阶段是 XPS 试样热分解的主要阶段，释放出大量热分解产物，
四种有机保温材料的受热过程分析﹡
孙诗兵 陈 萌 王昭君 高 庆 北京工业大学 材料科学与工程学院，北京 100124
张银祥 杨洪昌 北京敬业达新型建筑材料有限公司，北京 102605
摘 要：研究利用热失重分析仪-红外测试仪联用仪（TG-PTIR），烧结影像仪，氧指 数测定仪对我国常用的四种有机保温材料模塑聚苯乙烯（EPS）、挤塑聚苯乙烯（XPS）、 聚氨酯泡沫塑料（PU）和酚醛树脂泡沫塑料(PF)进行实验研究，测试了四种材料的热解 特性，分析受热过程中逸出气体，观察受热过程形态、体积变化，并测定氧指数。分析 比较了其规律，为正确使用外墙保温材料，研发应用新型防火外保温材料及制定防火安 全性标准提供数据支持。
对采集的试样光谱信息进行分析。
1.4 烧结影像试验 用发热电阻丝将材料切割为 5mm×6mm×5mm 作为试样。在升温速率为 10℃/min
下进行试验。通过影像分析试样各阶段状态，与试样膨胀、收缩、初熔、熔融、流动或
炭化温度。
2 结果与分析 2.1 氧指数测定结果与分析 测试结果如表 2，XPS、EPS 和 PF 氧指数属于难燃材料，燃烧时产生大量烟气，熔 滴物可引燃滤纸。试验采用的 PU 试样氧指数为 25%，属于可燃材料，氧浓度低时可自
50mm 长熄灭时氧的百分比浓度，并重复多次，最后三次氧浓度的平均值为此试样的氧
指数值。
测试结果包括对试样材料的种类、来源、尺寸、测定氧指数时燃烧时间或长度，试
样的各个值及平均值，点火源燃烧时熔滴、炭化、弯曲等详细记录。
1.3 热重-红外试验 将试样加工成 5mm×5mm×5mm，记录其质量，在升温速率 10℃/min 进行热重— 红外联机试验。试验时控制氮气流量在 100 ml/min ~200ml/min，吹扫气的流量为 60~100ml/min。FT-IR 采样参数为波数 400cm-1~4000cm-1，分辨率 0.4cm-1，快速扫描 32
Key word organic insulation material, heating process, TG-PTIR, oxygen index 建筑节能最直接有效的方法是使用保温隔热材料，外墙外保温材料被广泛应用在于 其保温等各方面都有着明显的优势：适用范围广，技术含量高。保护主体结构，延长建 筑物寿命。基本消除了“热桥”的现象，较好地发挥了材料的节能保温功能[1]。
脂泡沫塑料，实验使用主要仪器如图 1 所示。
表 1 试验仪器
Table 1 Experiment instruments
仪器名称
型号
生产厂家
热失重分析仪- 红外测试仪 联用仪（TG- FTIR） 影像式烧结点试验仪
TherMax 700- Nicolet 6700 SJY 型
美国热电公司 湘潭湘仪仪器有限公司
图 2 空气气氛下 EPS、XPS、PU、PF 的热重曲线 Fig.2 The TG curves of EPS, XPS, PU and PF in air atmosphere 图 3 对应 TG 曲线的第一阶段，EPS 被加热至 98℃时可能有 CO2 逸出，164℃时出 现烷烃 C-H 伸缩振动（3000cm-1）吸收峰，至 210 ℃后消失。对应 TG 曲线的第二阶段， 除了释放出 CO2 和 CO 以外，还有大量的有机分子放出，在 2802 cm-1、2722 cm-1 和 1695cm-1~ 1715 cm-1 是羰基 C= O 伸缩吸收峰，1200cm-1~1310cm-1 为醚类物质吸收峰[6,7]。 材料中加入了阻燃剂，在 669cm-1、648 cm-1、719 cm-1 处出现的可能是 C-X 卤代烃吸收 峰，说明阻燃剂受热分解逸出。1733 cm-1、1749 cm-1、1772 cm-1 为脂肪族物质的伸缩振 动吸收峰，2269 cm-1~ 2396cm-1、605cm-1~736cm-1 处表现出很强的吸收，表明逸出气体 中存在大量的 CO2。 同样方法对 XPS、PU 和 PF 进行综合分析，EPS 在 100℃ ~530℃有两个失重过程， 为分解、发烟、扩散和全燃阶段，材料分解产生的二氧化碳、一氧化碳和有机物都具有 很强的毒性， XPS 在达到着火温度后材料分解程度增大，此阶段材料表面温度继续升 高且引燃邻近的材料，为分解、发烟、扩散和全燃阶段，材料分解产生的二氧化碳、一 氧化碳和有机物都具有很强的毒性，因此火灾时在此阶段人们的危险性最大。 PU 试样在 200℃~750℃有两个明显的失重过程，且伴随气相产物的逸出，PU 材料 分解产生的有二氧化碳、一氧化碳、醇类物质和有机卤化物等，最后可燃物质和热量减 少，燃烧逐步衰减。PF 在 100℃ ~500℃有两个明显的失重过程，PF 材料分解产生的二 氧化碳和有机卤化物都具有很强的刺激性，最后可燃物质燃尽，材料炭化。
