再生棉纤维保温板消防安全评估：第一部分——热性能与火灾行为

《Fire》：Fire Safety Assessment of Insulation Boards Made from Recycled Cotton Fibers: Part I—Thermal Properties and Fire Behavior

　　

再生棉纤维为可持续保温提供了有前景的路径，但其可燃性限制了更广泛应用。研究人员评估了以聚醋酸乙烯酯(PVAc)–淀粉体系为黏结剂、添加10和15 wt.%硫酸盐木素(kraft lignin)或氢氧化铝(ATH)的硬质再生棉保温板。测定了板密度、导热系数、体积热容、热扩散率、锥形量热仪行为及单火焰暴露下的可燃性。导热系数保持在0.071–0.075 W·m?1·K?1的窄区间，说明配方改变后基本保温功能得以保留。体积热容和热扩散率差异更明显，尤其在高PVAc含量木素改性板中。火灾行为高度依赖配方，无统一剂量响应。最低峰值热释放速率(pHRR)出现在含10 wt.% ATH与20 wt.% PVAc配方，最低总热释放(THR)出现在含10 wt.% ATH与18 wt.% PVAc配方，分别为170.31 kW·m?2与62.30 MJ·m?2。木素对热释放影响较不一致。单火焰暴露下，边缘施加通常比表面施加更关键，而ATH尤其15 wt.%时对点燃和早期火焰蔓延的抑制最稳定。总体而言，ATH是更有前景的火灾改性添加剂，但仍需配方优化与正式火灾反应分级。

研究背景方面，建筑行业是全球能耗、温室气体与材料消耗的重要来源，保温材料直接影响建筑运行能耗，因此基于可再生与回收资源的保温材料受到关注。以废旧纺织衍生的再生棉纤维为代表的生物基保温材料具有较好热性能与较低环境影响，但纤维素类材料热稳定性低，分解时释放可燃挥发分，易出现快速点燃、高热释放、产烟量大及阴燃等问题，多孔结构还会促进火焰蔓延。现有研究多关注散填材料、农业纤维、回收纺织品或生物基板材，而基于再生棉纤维和混合黏结剂体系的硬质保温板研究较少。为提升火灾安全性，常加入阻燃添加剂，但矿物型与生物基策略在同一PVAc–淀粉棉纤体系中的直接比较仍有限，因此研究人员开展本研究，比较氢氧化铝(ATH，aluminium trihydroxide)与硫酸盐木素(kraft lignin)对热性能、热释放、点燃和火焰蔓延的影响。该论文发表在《Fire》。

主要关键技术方法方面，研究人员采用冷压成型制备不同PVAc含量、添加木素或ATH的再生棉保温板；以X射线计算机断层扫描(X-CT，X-ray computed tomography)定性评估孔隙分布与均匀性；用热性能分析仪依据EN ISO 8301测定导热系数、体积热容并推算热扩散率；依据ISO 5660-1用锥形量热仪在50 kW·m^?2辐射热流下评价热释放与点燃参数；依据?SN EN ISO 11925-2进行单火焰源试验，分表面与边缘施加模式评估火焰蔓延；并以方差分析进行统计处理。样本为同一商业再生棉纤维EN-TEX所制板材。

3.1. 密度与配方依赖性变异：研究人员测定各配方实际密度后发现，密度在254–383 kg·m^?3间，木素在高PVAc下更易系统提高密度，ATH则增减不一；PVAc含量与木素用量交互显著，说明木素更受配方影响，ATH响应与颗粒分布和板体密实度有关。

3.2. 导热系数、体积热容与热扩散率：导热系数保持在0.071–0.075 W·m^?1·K^?1，基本保温功能未被破坏；体积热容为0.236–0.602×10⁶ J·m^?3·K^?1，热扩散率为0.127–0.302×10^?6 m²·s^?1。木素改性板在高PVAc下体积热容升高、热扩散率降低，热惯性增强；ATH板响应不规则，受密度、孔隙与分散影响。

3.3. 锥形量热仪暴露下的火灾行为：峰值热释放速率(pHRR)为170.31–335.32 kW·m^?2，最大平均热释放速率(MARHE)为81.95–219.83 kW·m^?2，总热释放(THR)为62.30–326.57 MJ·m^?2。无统一剂量效应，5H10的pHRR最低，4H10的THR最低；ATH通过吸热、释水、稀释与无机残渣发挥作用，木素因本身可燃且成炭屏障不稳定而效果不一。CT显示ATH残骸有高密度矿域。

3.4. 小火焰暴露下的火灾行为：边缘暴露比表面暴露更易达到150 mm蔓延界限；含15 wt.% ATH的H15点燃少且无不达150 mm情况，木素配方仍具变异性，说明火灾响应由整体配方控制。

3.5. 热性能与火灾性能参数的关系：密度、导热与热容共同决定热惯性，但轻质生物基材料可呈热薄层行为，表面层控制点燃与pHRR；有利热性能不等于低火灾风险，关联仅为配方水平而非因果。

讨论部分总结：研究人员指出火灾行为由纤维组成、黏结剂含量、添加剂载量、分散性、孔隙率与工艺共同控制；pHRR、MARHE、THR、点燃时间(TTI)、质量损失率(MLR)与残骸形貌应联合评价。再生纺织原料含少量非纤维素与无机残留，使结果不能等同于纯棉纤维素。ATH稀释可燃组分并吸热脱水，木素未官能化时优于改性木素体系有限。机械性能尚未评估，结论限于热与火灾测试。

结论部分翻译：结果表明，再生棉保温板的热与火灾行为强烈依赖于总体配方及火灾改性添加剂的类型和用量。导热系数在所有变量中保持窄区间，说明加入硫酸盐木素或氢氧化铝(ATH)后仍维持基本保温功能。ATH总体表现出更有利的火灾性能响应，但无统一剂量趋势；5H10配方的pHRR较对应参照板降低约49%；单火焰暴露下含15 wt.% ATH配方对早期火焰蔓延抑制最稳定。木素响应更可变，未能持续改善各项火灾参数。总体上，再生棉板的火灾性能由添加剂类型与用量、黏结剂含量、密度、板体结构及回收纺织原料异质性共同决定；实践中ATH更适合该体系进一步优化。本研究未包含燃烧残余的详细化学与微观结构表征，也未测木素与ATH改性板力学性能，配方优化与正式火灾反应分级需后续开展。结果解释受原料异质性与部分试样变异性限制。