人工加速老化对建筑外墙保温材料热解和燃烧性能的影响及火灾风险

《Polymer Degradation and Stability》：Effects of Artificial Accelerated Aging on the Pyrolysis and Combustion Properties of Building External Insulation Materials and Fire Risk

绝热材料老化过程中化学结构演变与火灾风险特性研究，通过人工加速老化模拟紫外线和温湿度循环，采用SEM、FTIR、TGA分析材料老化机理，锥形量热计评估燃烧性能变化，熵权TOPSIS模型量化火灾风险演变。

　　

陶振祥|黄旭波|杨波|王一森|徐彤|吴建松|杨瑞

中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京，100083，中国

摘要

外墙保温系统的保温层由于长期暴露在紫外线辐射和温湿度循环中，会逐渐发生降解。特别是当外部保护层损坏或剥落时，聚合物材料会暴露在外部环境中，加速老化过程。本研究选取了三种常见的保温材料——膨胀聚苯乙烯（EPS）、挤塑聚苯乙烯（XPS）和硬质聚氨酯（RPU），在模拟辐射和热效应的受控条件下进行人工加速老化实验。采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析方法来阐明老化对材料化学结构的影响机制。通过锥形量热仪评估老化材料的点火特性、热量释放、烟雾产生和气体产物的毒性。基于熵加权的保温火灾风险模型量化了这些老化材料的火灾风险演变情况。经过150次老化循环后，EPS和XPS的点火时间显著缩短，其峰值热量释放率分别增加了25%和37%。此外，在50 kW/m2的辐射热流下，RPU的总热量释放和总烟雾产生量分别增加了27%和16%。总体而言，RPU在高强度热暴露下表现出明显的火灾危险性增加。这些发现为外墙保温系统的抗老化设计及老化火灾风险管理提供了宝贵的指导。

引言

建筑能耗约占全球能源消耗的36%，消耗了约25%的淡水资源，并贡献了近三分之一的温室气体排放[1]。在全球减碳和应对气候变化的背景下，提高建筑能源效率被广泛认为是实现低碳转型的关键策略。外墙保温复合系统（ETICS）是提升建筑围护结构热性能的关键技术，在新建和现有建筑中得到了广泛应用[2]。这种系统通常由保温材料、保护层和固定组件（如粘合剂和锚固件）组成，形成安装在建筑外围结构上的非承重保温系统[3]。其中，高分子聚合物保温材料因其低导热性和良好的性价比而被广泛使用[3]。 先前的研究表明，聚合物材料极易受到温度[4]、氧气[5]、湿度[6]和化学物质[7]等环境因素的影响，这些因素会导致其化学成分和分子结构的变化，进而引发物理性能的退化——这一现象通常被称为聚合物老化。老化引起的失效已成为聚合物材料开发和应用的重要限制因素[8]。实际上，在长期使用过程中，即使被封装在保温系统内部，保温材料也会因紫外线（UV）辐射等因素而发生降解和老化。由于极端天气条件或维护不当导致的外部保护层损坏，会使保温材料暴露于降解因素中，包括紫外线辐射[9]、降水[10]和温度循环[11]。在这些条件下，老化过程会显著加速，表现出更明显的退化特征。 老化不仅会改变材料的一些基本物理化学性质，还会显著影响聚合物的分解动力学参数[12]、热稳定性[13]和燃烧产物[14]，从而影响其使用寿命和安全性。在其他聚合物材料应用中，例如阻燃电缆护套，老化会降低阻燃性能、增加热量释放并增加有毒副产物的排放[15]。然而，现有的关于保温材料的研究大多基于材料的初始状态，忽略了实际使用环境中的老化效应。例如，在燃烧行为方面，实验和建模分析已经阐明了硬质聚氨酯泡沫（RPU）等材料的临界点火热流和特征燃烧阶段[16]，并建立了可靠的模型来预测膨胀聚苯乙烯（EPS）的热解行为[17]。在毒性方面，使用分数有效剂量（FED）和LC50等指标的评估显示不同保温材料之间存在显著差异[18]。进一步分析表明，热量释放率（HRR）与烟雾成分密切相关[19]，阻燃剂可以显著改变烟雾的化学成分和微观结构，从而影响其毒性[20]。 近年来，加速老化测试在聚合物材料研究中得到了广泛应用。通过模拟和强化主要老化因素的影响，这些测试可以在实验室环境中快速再现材料在服役过程中的长期降解效应[21]。因此，本研究选取了ETICS中广泛使用的三种典型外墙保温聚合物材料——EPS、XPS（挤塑聚苯乙烯）和RPU——进行基于降解动力学的人工加速老化测试。通过扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱热重分析和锥形量热仪测试，系统评估了老化对材料化学结构的影响，并评估了这三种材料在不同老化循环条件下的热解和燃烧特性变化。研究还采用了熵加权和TOPSIS方法建立了客观有效的危险评估体系，为优化防火设计和管理外墙保温系统的老化风险提供了理论基础和技术支持。

典型保温材料

典型保温材料

本研究重点关注外墙保温系统中三种最常用的保温材料：两种热塑性泡沫材料EPS和XPS，以及一种热固性泡沫材料RPU。EPS是通过预膨胀和模制可膨胀聚苯乙烯珠粒制成的，具有约22 kg/m3的闭孔结构。XPS也基于聚苯乙烯，但通过熔化、混合、压力挤出和物理发泡工艺制备。

外观和表面分析

图2展示了三种材料在六个加速老化循环下的表面形态。根据第2.2.1节中的紫外线辐射值进行等效计算，本研究调查的六个老化条件（0、30、60、90、120和150循环）分别对应于在北京连续暴露于大气环境中的0天、67天、134天、201天、268天和335天。未老化的EPS表面光滑且呈纯白色。

结论

本研究基于降解动力学原理设计了三种外墙保温材料的加速老化测试，从而模拟了大约300天环境暴露后的火灾性能变化。研究系统地阐明了老化保温材料中的火灾危险演变规律，为改进外墙保温系统的生命周期风险管理提供了科学依据。

作者贡献声明

陶振祥：撰写、审稿与编辑、项目管理、调研、资金获取、概念构思。 黄旭波：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、调研、数据分析。 杨波：验证、调研、数据分析。 王一森：撰写、审稿与编辑、软件应用、方法论。 徐彤：撰写、审稿与编辑、资源协调、调研。 吴建松：资源协调、方法论。 杨瑞：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52304273）和中央高校基本科研业务费（项目编号：2023XJAQ01）的资助。