聚合物纤维基保温材料燃烧过程的物理方法研究：一项初步实验研究

《Polymers》：Physical Approach to the Combustion Process of Polymer Fibre-Based Insulation Materials: An Initial Experimental Study

　　

建筑材料和产品的可燃性通过欧洲标准EN 13501-1规定的反应与火等级（reaction to fire class）表达，但该技术标准及相关试验标准中的程序并未完全反映燃烧的物理和化学原理。尤其在较低等级B–F区间，方法基于经验原则，使得在新保温材料开发中利用试验结果预测其行为相对非常困难。本文呈现研究的初始阶段，从建筑物理视角在纤维微观结构尺度上探讨燃烧。对于聚合物纤维基（常为回收纺织纤维基）保温材料，情况非常复杂，因为多数情况下反应与火由材料接触火焰时物理与化学过程共同决定。本研究未提出完整预测模型，而是建立基本控制关系并报告首批实验结果，作为后续研究构建综合模型的基础。单火焰源试验（EN ISO 11925-2）结合微观结构、量热和气流电阻率测量，建立了观测火焰行为与纤维类型、厚度和体积密度等参数的基本关系。主要观测到原生纤维（熔化并从火焰退缩而不点燃）与回收纤维（点燃）之间清晰的引燃/不引燃二分现象，表明仅靠燃烧热或纯物理描述均不充分——必须同时考虑物理与化学两方面。

研究背景方面，建筑结构防火性能受EN 13501-2与EN 13501-1管控，后者将材料分为A1、A2、B、C、D、E、F七类，低等级E和F仅依赖EN ISO 11925-2单火焰源试验的“通过/失败”判定，难以关联材料微观结构，制约新保温材料开发。聚酯（PES，基于聚对苯二甲酸乙二醇酯PET）纤维占全球纤维产量59%（2024年），回收纺织纤维作保温材料具可持续性，但PES为热塑性，燃烧受收缩、熔融、熔体撤退与化学分解共同支配，现有Euroclass体系经验化，微观传热模型多聚焦低温导热辐射而忽略着火尺度对流。研究人员因此从建筑物理角度在纤维微观尺度引入火焰高度关联式（Thomas公式、Heskestad关联式），开展初步实验以建立控制关系。论文发表于《Polymers》。

关键技术方法上，研究人员制备六类60 mm厚热粘结保温板：原生细/粗/半粗PES（1–3号）、高质量回收细PES（4号）、阻燃处理回收PES（5号）、含地毯滤料碎片的低质回收PES（6号），标称体积密度30/50/70 kg/m³，粘结用15%双组分（BiCo）纤维150 ℃活化。表征手段包括Keyence光学显微镜与TESCAN SEM测纤维形貌、Phoenix X射线CT评取向、EN ISO系列测厚度/体积密度/燃烧热（EN ISO 1716）/气流电阻率（EN ISO 9053-1），以及EN ISO 11925-2单火焰源边缘暴露15 s试验，记录引燃与否、150 mm越限、熔区高度、最大火焰高度与蔓延速率。

研究结果部分，小标题“Materials”下，研究人员通过空气铺网工艺获得四类纤维构成的六种板，光学显微显示原生纤维平滑高取向、回收纤维含解纤簇与薄片，纤维直径14–25 μm、长度25–55 mm，异系数CV原生细纤维约3–7%、低质回收6号达12%。

小标题“Methodology”下，研究人员以单试样代表每变量组合，偏离标准六重复规定，以建立燃烧行为与单一样本结构的对应；除标准判据外增测熔区高度与火焰蔓延率。

小标题“Results”下，研究人员测得燃烧热21.3–32.16 MJ/kg，6号最高因回料含高卡值杂质；1–3号原生板均无引燃，熔区56–107 mm，粗纤维熔区更高；4–6号回收板全引燃，火焰蔓延高15–145 mm，未越150 mm故均可归E级或更好；5号阻燃处理使火焰高与熔区显著降低；气流电阻率随密度升而升，且受纤维长度与结构序影响。

小标题“Evaluation of Results and Discussion”下，研究人员用方晶格模型估纤维间距d′为43–122 μm，用Heskestad式估单纤火焰高1790–2790 μm，远超间距，证明几何传火条件恒成立，非引燃差异主因；能量平衡算至引燃需≤0.70 MJ/kg远小于燃烧热，故非判别参量；差异源于熔体行为——原生纤熔融退缩移出受热区，回收纤因缠结阻碍退缩而留驻受热区引燃。气流电阻率与d′在70 kg/m³时逆相关r=?0.90（p≈0.015），低密度时结构序更主导；密度对引燃无决定性，仅微降火焰高。

讨论总结指出，纤维尺度的熔体力学与化学分解主导引燃二分，而非燃烧热或几何；结构有序化、控熔体迁移可减用化学阻燃剂。结论部分翻译：纤维保温材料燃烧行为极复杂，原生纤板（1–3号）任何密度下不引燃且熔区56–107 mm，回收纤板（4–6号）全引燃且焰高15–145 mm；差异由聚合物熔体行为结合纤维排布支配——原生平滑高取向纤收缩熔融撤退阻止引燃，回收纤缠结低取向阻碍撤退致留驻引燃，回料微量杂质或为次要因素。单纤理论焰高千微米级超间距十至百倍，故几何与燃烧热均非判别量，主控在纤维尺度化学分解与熔体物理行为。较粗纤维因间距大表现较差；气流电阻率与间距逆相关强度随密度增（70 kg/m³时r=?0.90显著），高密结构更有序。所有样未越150 mm限，回收板亦可归E级。结构优化（密度适配细度、增取向、控熔体）有望减用阻燃剂。后续研究将减压隔离对流并建微观燃烧传播综合关系。