建筑用防火材料的导热系数及测试方法

刘志

摘要：随着我国城镇化的发展，人口越来越集中，建筑也向高层及高密度方向发展，防火问题就成了民众关心的焦点。导热系数是建筑用防火材料领域备受关注的指标，本文分类讨论了测定建筑用防火材料的导热系数的测定方法。

关键词：建筑用防火材料、导热系数

1概述

随着我国城镇化的加速发展，城市规模逐步扩大，人口越来越集中的趋势日益明显。因此，房屋建筑也越来越向高层数以及高密度的方向发展，由此带来的防火问题就成了政府与民众关注的焦点。随着建筑行业不断的发展，建筑用防火材料也越来越多的在建筑内部装饰、装修工程中得到使用，不同功能的防火材料层出不穷。建筑用防火材料一般指具有防止火焰蔓延或阻滞火焰扩散的性能的材料。建筑用防火材料按燃烧的难易程度，可分为不燃材料和难燃材料两类。其中，不燃材料一般指不会燃烧的材料；难燃材料，又称阻燃材料，在制造过程中添加了阻燃剂成分，遇火可以燃烧，但是燃烧的速度较低，当材料离开火源，燃烧可以即时停止。从消防安全角度出发，在土木建筑中应尽量采用防火材料代替易燃、可燃材料已经成为了必然的趋势，以减小火灾荷载及降低火灾蔓延速度。建筑用防火材料主要包括防火板和防火涂料等。

建筑用防火材料的防火原理大致可归纳为以下五点^[1]：

(1)防火材料本身不易燃烧，并且可以隔绝空气中的氧气，使被保护的基材与氧气得到分离，起到从路径上阻止基材燃烧作用；

⑵防火材料的导热系数比较低，从而降低火焰的热量向被保护基材传递的速度，延缓被保护基材的温度升高；

⑶防火材料受热后分解释放出不可燃或不可助燃的气体，这些气体可以降低空气中氧气的浓度，使被保护基材不燃烧或者降低燃烧的速度；

⑷添加具有阻燃元素的防火材料，阻燃剂受热分解产物与被保护基材表面游离基结合，不易燃烧，从而中断燃烧的连锁反应，降低温度；

⑸防火材料受热后发泡膨胀，形成封闭的保护层，阻挡火焰的热量向被保护基材的传递，防止被保护基材燃烧。

由上述防火原理可见，导热系数是防火材料实现防火目的的关键指标，在建筑用防火材料领域中备受关注。导热系数的测量方法有很多，主要分为稳态测量法和非稳态测量法。其中，稳态测量法又分为热流计法、防护热板法、圆管法等；非稳态测量法包括热线法、热带法、功率补偿法、激光闪射法等^[2]。在实际测量导热系数的过程中，需要根据测量产品材质与样品状态，合理选用不同的测量方法。

2建筑用防火板

建筑用防火板，具有防火、防潮、耐磨、耐油、易清洗等特点，是目前建筑行业广泛使用的防火材料。在建筑物中（如天花、楼道、公共区域等位置）使用防火板，能够在火灾发生时降低火势蔓延的侵袭，降低财产损失程度，确保人员的安全疏散。

建筑用防火板材一般厚度均匀、尺寸可调节，因此广泛使用稳态测量法测量其导热系数。稳态测量法是目前广泛使用的一种测量方法，具有测量原理清晰、测试结果准确、测量温度范围较宽、并且可以直接得到防火板的导热系数等优点。但是，稳态测量法对测试的环境要求较高，样品必须处在严格的隔热保温环境中，对样品尺寸的要求较多，测量时间也相对较长。一般而言，对于刚性的防火板材，比较常见的测量方法是热流计法或保护热板法；对于柔性的防火板材，还可以采用圆管法测量导热系数。

2.1热流计法

厚度均匀的防火板一般使用热流计法测量导热系数，测量过程将样板放入冷、热板之间，在垂直的方向上给予一个恒定、单方向的热流，冷、热板之间保持固定的温度差，当上、下板的温度稳定后，通过传感器测量样品稳定前后热流量的变化，如图1。热流计法是一种一维稳态比较热流量变化的测量方法。

根据公式（1）计算样品导热系数：

（1）

式中：q—通过样品的热流量，W/m²；

—样品厚度，m；

△t—样品上下表面温差，△t=t₁-t₂，℃ ；

k—热流计常数。

图1 热流计法结构原理

2.2保护热板法

保护热板法的工作原理与热流计法相似，要求测试系统周围有防止与环境产生热流失或热交换的保护层，以保证样品一维稳态导热。保护热板法通常是双板法，同时测量两块相同的样板。在加热板的两侧对称放置相同的样品和冷板各一块，试件的周围具有保护层，同时设有辅助加热板，见图2。湿度对该方法的结果影响较大，因此保护热板法要求样品干燥。当样品达到稳态导热时，根据傅立叶定律可得：

（2）

式中：q—主加热板的加热功率，W；

—样品厚度，m。

图2 保护热板法结构原理

2.3圆管法

圆管法一般适合测量圆管形或厚度不均匀的柔性样品的导热系数。被测材料要求具有柔性，可以卷曲成管状，能够包裹在加热管的外侧，测量原理是长圆筒壁一维稳态导热模型。圆管法测量过程中，为了保证导热系数的准确，需要维持一维稳态温度场。常用的圆管导热仪都采用辅助加热器来减少圆管端部热损失

^[3]，其结构原理如图3所示。

图3圆管法结构原理

根据傅立叶定律，管状材料的导热系数可由下式得出：

（3）

式中：q— 通过试样的热量，W；

d₁— 试样外表面直径，m；

d₂— 试样内表面直径，m；

t₁— 试样内表面温度，℃；

t₂— 试样外表面温度，℃；

l— 测量段有效长度，m；

3建筑用防火涂料

建筑用防火涂料，是一种涂覆在可燃基材的表面，能够降低火焰热传导速度、提高被保护基材耐火极限、同时能够降低被保护基材可燃性的涂覆材料^[4]。防火涂料的组成主要包括基料和阻燃添加剂。防火涂料的功能主要是装饰表面以及阻燃耐火。热膨胀型防火涂料可以在一定温度下发泡，从而形成隔热保温层。因此，防火涂料在可燃基材表面形成保护层，具有防止、降低、或减慢基材燃烧速度的特殊功效。

防火涂料的成膜厚度较薄，导热系数的测量主要选择非稳态测量法，常见的为激光闪射法。防火涂料根据产品工艺分为厚浆型防火涂料和薄浆型防火涂料。其中，厚浆型防火涂料的成膜厚度在5mm以上，适用于稳态测量法中的热流计法进行测量。

3.1非稳态测量法

非稳态测量法通过外加恒定热量，测量样品温度的变化，从而推算导热系数。非稳态测量法一般通过测量热扩散系数，利用公式推算得到导热系数，可以测量瞬态样品的热特性，具有测量时间短、对外界环境要求低的优点。非稳态测量法一般需要已知样品的比热与密度等信息，因此多用于样品比热与密度基本趋于常数的测量。

3.2激光闪射法

激光闪射法测量样品内热量传播速度，一般是将具有一定脉冲宽度的激光打在被测样品表面，通过热电偶测出试样背面的温度变化以及温度升至最大值一半的时间（t_1/2）。该方法直接测量材料的热扩散系数，通过计算获得样品的导热系数。激光闪射法适合于薄层小型样品的测量。其测量结构原理如图4所示，该方法最早由Parker提出^[5]。可导出：

α=1.37δ/(π² t _(1/2) )=(0.1388δ²)/t_(1/2) (4)

式中：α—热扩散率（导温系数），m2/s

δ—试样厚度，m；

t_1/2—试样背面温升达到最大温升一半时所需的时间，s。

激光闪射法具有测试时间短、所用试样薄而小、精度高等优点，在欧美得到广泛研究与应用，多用于热扩散数据的测量。

图4激光扩散法结构原理

在已知样品比热与密度的条件下，通过测量热扩散系数，便可以得到样品的导热系数。但是激光闪射法只适用于均匀的固体材料，且样品的比热要求是恒定的。

4结论

消防安全是现代建筑中重要审核因素，导热系数作为建筑用防火材料的重要表征手段，测定方法尤其重要。建筑用防火材料导热系数的测量方法，主要根据防火材料的状态选择不同的测试方法，尺寸较厚的刚性材料适用于稳态测量法的热流计法和保护热板法；柔性材料适用于稳态测量法的圆管法；而对于较薄层材料受环境温度影响较大，则适用于非稳态法的激光闪射法。

参考文献

[1]魏小赟，王艳艳，王小瑞, 防火涂料研究新进展[J]. 山东化工，2019.48(20):83-84.

[2] 闵凯，刘斌，温广. 导热系数测量方法与应用分析[J]. 保鲜与加工. 2005,5(6):35-38

[3]国家技术监督局.GB/T10296-2008绝热层稳态热传递特性的测

定——圆管法[M].北京:中国标准出版社,2009.

[4]李博, 卢明超. 防火涂料阻燃/抑烟技术的研究现状及进展[J]．化工新型材料, 2018,46(04):227-229．

[5]Parker W J, Jenkins R J, Butler C.P, et al. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity[J]. J Appl Phys, 1961,32(9):1679-1691.