铝复合板芯材热稳定性与燃烧特性：基于EDXRF、TGA、锥形量热与SEM的A2/FR/PE比较研究

《Applied Research》：Thermal Stability and Combustibility Characterization of Aluminium Composite Panel Core Materials

　　

铝复合板（ACPs）广泛用作建筑幕墙覆层，包括机场建筑，因其轻质、耐候且易于加工。然而，其芯材的可燃性已引发严重的消防安全关切。本研究从面板中提取了马来西亚常用的五种商用ACP芯材，即有限可燃（A2）、阻燃（FR1、FR2、FR3）和聚乙烯（PE）芯材，并采用能量色散X射线荧光（EDXRF）、热重分析（TGA）、在50 kW/m²条件下的锥形量热法（CCM）和扫描电子显微镜（SEM）进行表征。EDXRF显示A2以钙为主（75.7%），FR芯材钙含量较低且铝含量显著，PE的无机部分主要为钙，并含少量镁、钛、铝和钠。TGA显示A2在800°C时残余63.4%，FR芯材为44.9–54.2%，PE仅8.1%，表明其几乎完全分解。在CCM测试中，PE在18.0 ± 1.7 s点燃，峰值热释放速率（pHRR）达684.4 ± 19.8 kW/m²，而A2在60.7 ± 13.7 s点燃，pHRR仅为62.3 ± 16.6 kW/m²。FR芯材点燃时间在34.0至63.0 s之间，pHRR为165.6–203.9 kW/m²，但持续有焰燃烧时间长于A2和PE。残炭SEM显示A2保持致密完整，FR1留下多孔、部分破碎的残炭，PE仅留下脆弱粉末状残炭。总体而言，结果在热释放、质量损失和残炭方面显示A2 > FR > PE的清晰排序，为更安全的ACP芯材选择提供实践指导，尽管全板组件仍需系统级测试。

研究背景与目的：铝复合板（ACPs，由金属蒙皮与芯材复合而成的建筑幕墙材料）因轻质、美观和易加工而广泛用于建筑幕墙，包括机场建筑。其核心风险来自部分ACP的可燃芯材，燃烧时可能出现分层、软化、开裂，并促进火焰蔓延和有毒烟气。马来西亚曾发生与可燃覆层相关的火灾，如2018年雇员公积金局（EPF）大楼火灾涉及高可燃聚苯乙烯泡沫芯材，2016年吉隆坡图书馆火灾涉及石棉基覆层。已有ACP火灾性能研究逐渐采用多尺度方法，但元素与组成分析较少与热分析和量热数据整合，限制了对不同ACP类型真实火灾风险的评估。因此，研究人员针对马来西亚基础设施中常见三类ACP芯材，即有限可燃（A2）、阻燃（FR）和聚乙烯（PE），整合元素组成、热降解和台架尺度燃烧行为，旨在为马来西亚消防与救援局（FRDM）等提供基线数据，以理解ACP芯材火灾行为并为关键基础设施选择更安全材料。研究得出芯材在热释放、质量损失和残炭方面呈A2 > FR > PE排序，为更安全选材提供依据，但全板系统仍需验证。

关键技术方法（不超过250字）：样品为FRDM通过制造商提供的五种商用ACP芯材，包括A2（希腊）、PE（马来西亚）、FR1（中国）、FR2（泰国）、FR3（马来西亚），芯材厚度3.0–3.2 mm；测试仅针对从完整板中取出的芯材。关键技术为EDXRF（能量色散X射线荧光，元素组成分析；ASTM D6247）、TGA（热重分析，N₂下10 °C/min至800 °C）、CCM（锥形量热法，50 kW/m²，ISO 5660、ASTM E1354、BS 476 Part 15，每材料三次重复）和SEM（扫描电子显微镜，残炭喷铂后×500观察）。EDXRF与TGA每材料各一次，CCM三重复。

研究结果：
元素组成（EDXRF）：通过EDXRF测得A2以钙为主（75.72%）；FR1、FR2、FR3钙含量较低，FR1铝含量明显较高；PE含钙、铝以及镁、钛、钠。铝一般为仅次于钙的第二丰度元素（8–32%），其后为少量硅、磷、钾、钛。作者据此指出ACP芯材可能为多无机填料体系，并仅基于组成预期A2最佳、FR次之、PE。
热重分析（TGA）：通过TGA得到A2的T_onset为320°C、T_max为356°C、800°C残炭63.4%；PE分别为418°C、514°C、8.1%；FR1为389°C、491°C、44.9%；FR2为419°C、499°C、54.2%；FR3为373°C、521°C、48.7%。PE呈近乎单步急剧分解，A2缓慢连续失重并残留最高，FR呈两阶段行为。结论是无机组分和阻燃添加剂提高热稳定性与残炭，PE缺乏稳定效应；该趋势与Hossain et al.报道一致。
锥形量热（CCM）：通过CCM在50 kW/m²下测得PE点燃时间18.0 ± 1.7 s、pHRR 684.4 ± 19.8 kW/m²；A2点燃时间60.7 ± 13.7 s、pHRR 62.3 ± 16.6 kW/m²，且最早熄燃（264.3 ± 98.5 s）；FR点燃时间34.0–63.0 s、pHRR 165.6–203.9 kW/m²，但熄燃时间551.7–910.0 s，长于A2和PE。总热释放（THR）为PE 134.1 ± 3.5 MJ/m²、FR 60.1–78.4 MJ/m²、A2 12.4 ± 5.6 MJ/m²；质量损失为PE 82.6 ± 1.3%、FR 31.1–42.7%、A2 21.4 ± 0.4%。结论是燃烧性能排序为PE > FR > A2（热释放与质量损失），与Hossain et al.及ACP系统研究报道一致。
残炭形貌（SEM）：通过SEM观察CCM前后残炭，A2燃烧前为致密颗粒，燃烧后形成致密团聚和细针状结构，EDX谱见明显O、Mg、Ca峰，中等Al、Si峰和弱C峰，表明残炭主要为无机物；原文将Mg、Ca与Mg(OH)₂和CaCO₃关联，将Al、Si与氢氧化铝和二氧化硅关联，并指出这些填料吸热分解、释放水蒸气和二氧化碳、稀释可燃气体。FR1燃烧前致密均匀，燃烧后出现多孔、空洞、表面粗糙和局部基体降解，EDX谱以铝为主并见强氧、镁峰，较小钙峰和弱碳峰，原文据此讨论氢氧化铝（ATH）及可能含Mg(OH)₂的阻燃填料，并指出残炭虽破碎但可部分屏蔽热量。PE燃烧前致密光滑，燃烧后出现广泛空洞，残炭最脆弱、呈松散粉尘状，EDX谱以钙为主并见氧及少量Mg、Al、Si、Ti，原文讨论CaCO₃等填料在聚合物烧失后富集于残炭。

讨论与结论翻译：讨论部分将EDXRF组成、TGA热降解、CCM燃烧和SEM残炭形貌相互印证，指出A2和FR中的无机填料及阻燃添加剂通过吸热分解、释放水蒸气和二氧化碳、稀释可燃气体及形成保护性残炭降低热释放，而PE缺乏稳定效应，点燃快、热释放高、质量损失大。EDXRF还检测到磷主要存在于A2，原文讨论其与阻燃添加剂相关，并可能促进成炭或抑制火焰反应，但EDXRF仅检测元素，不能确认化合物。Hossain et al.和Hollingbery and Hull的报道与本研究趋势一致。作者同时承认仅测试从板材中取出的芯材，未验证加热去蒙皮是否改变芯材，且未进行全板系统测试，因此结果适用于芯材筛选而非完整幕墙审批。研究结论（译文）：本研究通过EDXRF、TGA、CCM和SEM评估了马来西亚常用的A2、FR1、FR2、FR3和PE五种ACP芯材的组成、热降解、火灾性能和残炭形貌。A2芯材主要由无机材料组成，以钙和铝为主；FR芯材含中等量矿物填料；PE芯材主要由可燃聚合物和少量含钙、镁、钛、钠的无机组分构成。TGA显示PE单步降解且几乎无残炭，A2缓慢降解且残炭最高，FR居中。锥形量热中PE点燃时间最短（18.0 s）、pHRR最高（684.4 kW/m²）、THR最高（134.1 MJ/m²）且质量损失最大（82.6%），显示高可燃性和快速火灾增长潜力；A2的pHRR最低（62.3 kW/m²）、THR最低（12.4 MJ/m²）、质量损失最低（21.4%）；FR居中，说明阻燃填料降低燃烧但不及A2。SEM显示A2残炭致密完整，FR1残炭多孔且部分破碎并主要由无机氧化物组成，PE仅留下脆弱粉末状残炭。总体上三类芯材对热和火焰响应差异明显，A2最佳、FR次之、PE最差；结果可帮助按建筑消防安全需求选择ACP芯材，但由于测试的是从板材中取出的芯材而非完整ACP或安装幕墙，应用前建议进行系统级验证。研究结果为FRDM、监管者、建筑业主、设计者和制造商制定更安全覆层政策提供证据基础；PE与A2在点燃、热释放和残炭方面的显著差异提示PE芯板应限制用于特定建筑，而有限可燃（A2）芯材应在其他场景优先采用；但全尺度系统测试如BS 8414仍应是批准完整幕墙组件的首要依据。