作者：杭州市公安消防支队江干区大队助理工程师 李青

摘要：防火绝热类薄膜材料多应用于消防类服装和各种耐高温和阻燃的工作环境，近年来引起广泛关注。而在建筑结构上的应用还很少，本文介绍了一种已应用于航天航空领域的耐超高温多层复合薄膜材料，并探讨其在建筑结构上的应用可行性和可能存在的问题，以指导建筑结构的防火设计。

关键词：耐超高温薄膜材料，索膜结构，钢结构防火，柔性天花板

1 引言

防火绝热类薄膜材料是一种能够屏蔽、反射高温热源发出的热量, 使其背面仍然保持较低的温度，从而达到抗热、隔热、阻挡热量传播目的的特种材料。国内外防火绝热类薄膜材料，随人们对火场环境认识的加深和科技的进步而不断发展,由初期阻燃耐热纤维的开发，到目前的材料功能性结构设计, 由单一功能的简单防护结构逐步发展为多层复合结构多功能防护。

阻燃纤维分为两类：一类是高性能纤维本身就具有阻燃性能；另一类是对常规纤维通过改性的方法来获得。常规纤维改性方法包括共聚法、共混法、接枝改性法以及皮芯复合纺丝法。常规阻燃纤维原料易得、生产简便, 但改性性能有限。为满足火场等危险环境对耐辐射、耐高温、热稳定性等高性能要求结构材料的需求, 世界上很多国家都致力于高性能纤维的开发研制，主要是利用聚合物自身的分子结构特点研发出固有耐热阻燃防火纤维。对薄膜材料进行功效性结构设计和成形是实现高效、综合、智能防护的有效手段, 研究内容具体包括纤维材料的筛选、工艺的选择以及多层复合次结构的复合几个方面。

现有的防火绝热类纺织材料多用于消防类服装，而在建筑结构上的应用还很少，本文介绍一种应用于航天航空领域的耐超高温的多层复合薄膜材料，并探讨其在建筑结构上的应用可能性和存在的问题。

2.耐超高温薄膜材料

2.1概述

近年来新材料及其工艺处理的进展，比以往任何时候能提供更可靠、轻质量和价格上更能承受的高性能薄膜材料。耐超高温薄膜材料由多层薄膜通过层合碾压的工艺组合在一起，包括防热层、隔热层、阻气层等三个层次。防热层位于TPS的最外面，承受最高的温度，主要用来阻隔热流。防热层多使用高强轻质的柔性编织材料，如Al₂O₃纤维、碳纤维等。中间的隔热层承受的温度较防热层低，主要用来防止热量向TPS内部传递，多使用碳纤维隔热毡布、无定形SiO₂隔热毡布等。阻气层用来防止气体渗漏，多使用聚酰亚胺(Kapton)薄膜。防热层和隔热层应选用轻质可折叠的柔性耐高温材料。耐超高温薄膜材料的总体设计要求为：1)质量尽可能小；2)在1 000OC高温下仍能保持材料的性能；3)柔性好，经折叠后不发生破坏；4)阻气性能好；5)在高温下表面无烧蚀，出现剥落时应保持线性化整体剥落，表面无碳化。

上述各分层的薄膜材料都使用商业化纤维材料，如Aspen Aerogel公司的Pyrogel碳纤维复合材料、3M公司的Nextel系列纤维、DuPont公司的聚酰亚胺(Kapton)薄膜等，通过组合形成多种样品，表1为耐超高温薄膜材料的备选材料表。

表1 耐超高温薄膜材料备选材料

多层复合薄膜材料的复合层压工艺主要有焰熔层压和粘合层压。焰熔层压是指将聚氨酯泡沫塑料薄片经火焰灼烧, 使其发生熔融裂解产生粘性物质,从而将不同分层的薄膜层压在一起成为整体的复合薄膜材料。粘合层压是利用粘合剂将两种薄膜复合在一起。除此之外，还可以在复合薄膜材料的表面进行有机耐高温聚合物涂层或金属镀膜, 以提高材料的整体热防护性能。

下面分别对防热层和隔热层、阻气层中的代表性材料进行简述。

2.2 防热层和隔热层材料

防热层和隔热层结构一般为陶瓷柔性隔热毡，组成材料包括氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂0₃)、硼硅酸铝(ABS)等。陶瓷柔性防热材料主要包括柔性重复使用表面隔热毡(FRSI)、先进柔性重复使用表面隔热毡(AFRSI)、可裁剪先进柔性隔热毡(TABI)以及复合柔性隔热毡(CFBI)材料等。目前最先进的新型陶瓷柔性隔热毡材料当数可裁剪先进柔性隔热毡(TABI)和复合柔性隔热毡(CFBI)材料。近年来陶瓷柔性隔热结构的使用温度不断提高，已由原来的500^oC以下发展到最高使用温度可达1 300-2 000^oC，突破了过去只能在低温区使用的限制，提高了耐超高温薄膜材料使用性能。由若干层柔性编织防热织物构成，其材料应具备轻质、耐高温、柔性和可折叠的特点。对材料的力学性能和热性能都有较高的要求，材料应能承受较高的冲击载荷和高达1000^oC的温度。

AFRSI作为FRSI的改进型，在航天飞机轨道器上已经部分取代了FRSI和低温重复使用表面隔热毡(LRSI)。AFRSI更易于维护和装配，最高工作温度可达1 200℃。AFRSI是柔性隔热毡，但是在表面覆盖C-9涂层以及暴露在高温环境使其外层纤维变得脆弱易碎。TABI是一种由SiC织物整体编织、采用S02、Al₂0₃和硼硅酸铝作为隔热材料的新型可剪裁柔性毡，其密度及热导率与AFRSI相近，而抗声振性优于AFRSI，在1 480℃下仍有良好热稳定性，因而使用温度大幅度提高。CFBI则由外层SiC织物、内部Al₂0₃反射屏蔽和Al₂0₃隔热材料组成，其密度与AFRSI和TABI相近，而高温热导率低于这两种材料。据称SiC纤维耐热性优于SiO₂，且易于缝制成毡。CFBI可经受2 000^oC高温的反复暴露。

Al₂O₃纤维具有较高的抗拉强度和优异的耐高温能力，Al₂O₃纤维因其具有的较高的抗拉强度和优异的抗氧化性能，能制成各种高性能复合材料，在航空、航天领域具有广泛的用途，是防热层的首选纤维。

Al₂O₃纤维是氧化物陶瓷纤维的一种，是目前研究和应用最为广泛的氧化物陶瓷纤维，它以Al₂O₃为主要成分，还包括SiO₂、B₂O₃等，具有高强度、高模量、超常的耐热性和耐高温氧化性、热导率小、热膨胀系数低、抗腐蚀等特点，主要用于高温隔热材料(短纤维)和增强复合材料(长纤维)，可编织成织物、无纺布、编织带、绳索等各种形状的纤维制品。

目前世界上可进行商业化生产的Al₂O₃纤维主要有DuPont的FP、PRD-166，3M的Nextel系列纤维，日本Sumitomo的Ahel Al₂O₃等，其中3M公司生产的Nextel系列纤维年产量大，综合性能优异，生产工艺稳定，可编织成织物、编织带、绳索等，市场占有率较高，已经较为广泛地应用于耐火材料领域。

•  阻气层材料

阻气层结构主要采用Kapton薄膜，Kapton是美国杜邦公司（DuPont）生产的聚酰亚胺（PI)薄膜材料的商品名称。PI是20世纪50年代发展起来的耐热性较高的一类高分子材料，具有优良的化学稳定性、耐高温性、坚韧性、耐磨性、阻燃性、电绝缘性等。近年来，通过改变化学配方和改善工艺流程等手段开发出热固性聚酰亚胺、热塑性聚酰亚胺和增强型聚酰亚胺等系列产品，并获得了广泛的应用。目前，热固性聚酰亚胺能够在高达480℃的温度下工作，而热塑性聚酰亚胺的连续工作温度最高为220℃。DuPont公司的研究人员通过改变聚酰亚胺化学配方和合成工艺流程使得Kapton薄膜提高了刚度，同时降低了它的热膨胀系数、吸湿性和介电常数。他们使用40%的对位次苯基二胺与60%的ODA进行混合共聚反应，可以使Kapton薄膜的热膨胀系数降低40%；若以同样配方进行依次共聚反应，则可将Kapton的热膨胀系数降低66%。

图1 不同温度下应力-应变曲线

如图1为Kapton HN的应力应变曲线，曲线中得到不同温度下的张拉强度，张拉模量和最终延长率。张拉强度和模量等参数和温度成反比。

3.建筑结构的防火应用

3.1索膜结构

目前尚无索膜结构的专门防火设计规范,也不能按常规建筑的耐火极限要求(因这类建筑自身无耐火极限可言)。通常膜材在索膜结构中既是起围护作用的建筑材料，又是张拉结构体系中的受力材料。目前常用的膜材有两类，一类是以玻璃纤维织物为基材，涂敷聚四氯乙烯(PTFE)等树脂材料，燃烧性能可达到A级；另一类是以尼龙织物为基材，涂覆PVC及其他树脂材料，燃烧性能可达到B1级。当索膜结构用于半敞开建筑，如体育场观众席遮阳、公共设施的罩棚、建筑艺术小品等或者用于临时性建筑时，防火安全问题不大。用于全封闭、永久建筑的屋盖体系，就存在提高索膜结构耐火等级的问题。

将本文介绍的耐超高温薄膜材料应用于索膜结构中，可以极大地提高结构耐火等级，。而且还可以阻隔太阳辐射产生的热流进入建筑内部，对于保持建筑内部环境的温度起到重要作用。对于张拉索膜结构，薄膜材料只需要防热层和隔热层，而不需要阻气层，对于充气膜结构，则需要阻气层以保持内腔气压。

3.2钢结构防火保护

对大跨度钢结构建筑进行防火保护，其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围，其措施是多种多样的。钢结构构件的防火方法主要有涂料保护、防火板保护、混凝土保护、柔性卷材保护、无机纤维保护、结构内通水冷却保护等。大跨度钢结构柔性卷材保护的防火原理是采用绝热或吸热的纤维材料阻隔火焰直接灼烧钢结构，降低热量向钢材传递的速度，推迟钢结构温升和强度减弱的时间。

采用本文介绍的耐超高温薄膜材料为基料构成阻燃体系，制备超薄型钢结构防火涂料。同时和结构加固技术相结合, 提高钢结构构件的承载力，但是由于粘贴碳纤维的有机胶其玻璃态转化温度仅为100℃左右, 在火灾下很快就会失去粘结力,使得碳纤维的加固作用丧失, 所以对碳纤维加固混凝土结构耐火问题的研究就显得非常重要。

3.3 柔性天花板

本文介绍的耐超高温薄膜材料还可以用于构建建筑物内部空间的天花板，如图2，采用此类薄膜的柔性天花板在火灾发生时阻隔火焰上串，从而保护天花板上部的供电管线，避免发生更大程度的火灾。

图2 薄膜材料构成的柔性天花板

4.结束语

防火绝热薄膜材料的开发和应用已取得长足的进步和显著的成就, 但不难看到仍然存在着很多缺陷和不足。如现有的耐超高温薄膜材料在火场环境中的性能耐久性有待研究；辐射热防护是火场强热流环境中热防护主要形式之一, 虽然镀铝膜薄膜具有优良的热反射性能,但其与火焰近距离接触时的长时间的完整性也有待深入探索。但随着真空镀膜技术、层合层压技术、相变材料等的应用，为开发长时间高效热防护织物提供了新思路, 防火绝热材料的设计必将更为完善和科学, 其防护的安全性与可靠性也必将得到更为全面的实现。