内外兼修——玻纤增强聚氨酯保温耐火窗 解决方案
浙江德毅隆科技股份有限公司科思创聚合物（中国）有限公司
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1.《建筑设计防火规范》的背景
近年来，建筑物高度不断增加，高层建筑对防火的要求也越来越高。因为火势的卷吸作用，在纵向上发展迅猛，高层建筑对救援设备和人员的要求很高。同时，因建筑节能需要，广泛采用的外墙外保温系统，也给建筑物带来极大的火灾安全隐患。一旦外墙外保温材料被点燃，就会在其附存的狭窄空腔内借助抽烟助燃效应，对建筑外围护结构，包括建筑门窗产生毁灭性的破坏，进而影响到建筑物室内的安全。
为了解决高层建筑发展和节能要求提高带来的消防安全问题，《建筑设计防火规范GB50016-2014》对建筑外墙上的建筑门窗，首次提出了耐火完整性要求，主要应对外墙外保温防火要求。《建筑幕墙、门窗通用技术条件GB/T31433-2015》则给出了门窗耐火完整性的定义：即在标准耐火试验条件下，建筑门窗某一面受火时，在一定时间内阻止火焰和热气穿透或在背火面出现火焰的能力。
《建筑设计防火规范GB50016-2014》中对窗的防火要求主要有以下几个方面：
a)规范第5.5.32条中，要求建筑高度大于54m的住宅建筑，在每户设置的避难间，其内门应采用乙级防火门，其外窗的耐火完整性不宜低于1.00h。
b)规范第6.2.5条指出，对于建筑外墙上、下层外窗之间设置防火玻璃墙的，其外窗的耐火完整性在高层建筑和多层建筑中分别不应低于1.00h和0.50h。
c)规范第6.7.7条要求，当建筑的外墙外保温系统采用燃烧性能为B1、B2级的保温材料时，除了采用B1级保温材料且建筑高度不大于24m的公共建筑或采用B1级保温材料且建筑高度不大于27m的住宅建筑外，建筑外墙上门、窗的耐火完整性不应低于0.50h。
2.耐火窗测试规范和要求
“耐火窗”在我国现行的标准体系中尚无十分明确的术语定义，是目前门窗行业对具有耐火完整性的建筑外窗的一种习惯叫法。所谓“耐火窗”是随着《建筑设计防火规范GB50016-2014》的实施才逐步投入使用的新型产品。
目前，我国建筑外门和外窗耐火完整性检测技术，按照《建筑设计防火规范GB50016-2014》的要求，分别采用的是《门和卷帘的耐火试验方法GB/T 7633-2008》和《镶玻璃构件耐火试验方法GB/T 12513-2006》中规定的检测条件和判定规则，满足相应耐火完整性0.5h或1.0h的要求。
图一：耐火试验升温曲线
3.传统材料用于耐火窗的主要难点
窗系统是由窗框、玻璃、密封材料和五金件组成的，要达到所需的耐火性能，需要各组成部分之间相互协同和匹配。目前，针对各组成部分的改进措施中，较多集中在框/扇型材上。现有的各类型材材料，如塑钢或铝型材，如果不进行型材结构改造，基本无法满足防火要求。
3.1PVC型材
建筑用塑料门窗的主框架由PVC塑料型材和增强型钢构成，虽然能满足日常使用的耐热要求，但PVC型材的耐火性能差，按照GB/T8814的要求，型材维卡软化点≥75℃（维卡软化温度引用自JGT/263-2010建筑门窗用未增塑聚氯乙烯彩色型材），而PVC型材的加工温度也只有180-250 ℃。而且，由于增强型钢在塑料门窗型材的拼接处相互不连接，型材遇火后会发生框架变形、密封结构失效等现象。
目前，也有不少措施针对PVC材料，以提高PVC型材耐火性能，例如：
1)增加阻燃剂：提高PVC型材的氧指数。
2)增加壁厚：提高PVC型材的耐烧蚀能力。
3)共挤耐热层：提高表面维卡软化点、耐烧蚀能力等。
4)腔室填充：提供外层破坏后所需的支撑。
这些方法对提高PVC型材耐火的能力有所帮助，但很难解决PVC型材因软化而导致的塑料门窗系统功能失效问题。
3.2断桥铝型材
断桥铝门窗要达到耐火要求，需要解决两个方面的问题。
首先，为了提高隔热性能，断桥铝采用了断桥，材质一般为玻纤增强尼龙，但其熔点仅为260℃左右，无法承受试验高温。其次，铝材本身的耐高温性能也存在不足：一般6063铝合金的熔点介于550℃～650℃之间，无法耐受试验需要达到的高温。型材在未达到熔点之前，已经开始软化，对保持窗体的完整性而言，带来极大的挑战。
因此，为了达到耐火要求，断桥铝一般采取增加钢衬以及型腔填充的方案，但既要保护型材，又要保护断桥，从而不过度丧失保温性能，兼顾的难度很大。
4.玻纤增强聚氨酯保温耐火窗解决方案
要满足现有的节能和耐火标准，需要在型材的机械性能，如刚度/强度、保温性能和耐火性能之间取得很好的平衡。聚氨酯门窗型材为连续玻璃纤维增强聚氨酯复合材料，以无碱玻璃纤维为增强材料，聚氨酯树脂为基体树脂，通过闭模注射拉挤工艺成型，集保温、承载、耐火于一体，能够很好地兼顾耐火性能和保温性能。
图二：耐火窗型材截面设计
a)承载型材采用连续玻纤增强聚氨酯复合材料，其纤维含量高达80wt%。向火面遇火时，型材的表面处理层与表层聚氨酯材料相继燃烧，由数百万根玻纤束构成防火墙的层层帘障能有效减缓燃烧向室内侧蔓延。
b)尽管向火侧逐渐升温至800℃以上，此类非金属承载型材可以降低往背火侧的传热；同时玻纤还未液化，留有较好的力学承载能力维持框体结构，避免变形过量产生缝隙。
c)考虑到表面装饰的需求，玻纤增强聚氨酯型材的室内外侧也可以使用铝合金饰面，这种情况下，燃烧时只有向火侧的铝合金会失去力学性能，但不影响整体结构。
d)采用普通浮法（或Low-E）玻璃与防火玻璃组合而成的中空玻璃。火焰在突破中空层后，会被防火玻璃层有效阻挡。
e)局部增强设计与无机密封材料在实现耐火增强的同时，对保温性能并没有明显的影响。
4.1型材
4.1.1玻纤增强聚氨酯拉挤型材的力学性能和耐火性能
玻纤增强聚氨酯型材的防火性能源自材料本身。玻璃纤维是一种无机纤维，有很好的阻燃性和耐热性，熔点通常在1000度以上。而聚氨酯材料属热固性材料，遇火后会在表面形成一层碳化层，阻止火焰深入，不熔融、不产生溶滴。玻纤增强聚氨酯复合材料遇火难以燃烧，遇火面的高温也难以传导至另一面。
图三：不同材料的熔点对比
图四：不同材料热膨胀系数比较
4.1.2玻纤增强聚氨酯材料工艺优势 ：
1)纤维含量高，纤维结构简单，型材性能优越。
·纤维含量可达80%，大大提高了型材的性能。
·减少甚至省去了了纤维毡或布的使用，大大简化了生产，提高了效率。
·可生产复杂截面、薄壁的型材而不开裂。
·型材表面光滑。
2)材料性能品质稳定可靠：
·原料配比固定。所有原材料均进行检测后固定使用，保证产品质量。
·全自动化生产。原料配比、混合、输送、纤维浸透、牵引、型材固化成型、切割等所有工序均由自动控制的设备完成，保证产品质量的一致性。
·密闭回路混料、浸润。树脂的配比、输送、混合以及浸透产品在密闭的管路中进行，不与环境接触，既避免了环境中粉尘、湿气等对产品的影响。
3)清洁环保生产：
·聚氨酯树脂中不含苯乙烯，生产场所没有刺激性气味，最大限度地减少了对环境和工人健康的影响。
4.1.3玻纤增强聚氨酯材料的表面装饰
玻纤增强聚氨酯材料中纤维含量高，用于建筑物的窗框表面时，为了满足防护和美观的要求，可选择合适的涂料体系对表面进行涂装。科思创最新研发了新一代水性环保聚氨酯涂料，专门用于玻纤增强聚氨酯型材表面的装饰和保护。具有以下特点：
·特定体系有效均匀覆盖，改善玻纤增强聚氨酯材料表面平整度
·针对玻纤增强聚氨酯材料表面具有优良的附着性能
·持久的防护，耐光/紫外线，抗老化
·环保水性，可作为普通货物存储运输，相比传统溶剂型涂料，无隐患，低气味，更安全环保。
·色彩、光泽以及表面装饰效果可灵活选择，满足多样化装饰需求
表二：不同涂料体系对型材的涂装对比
4.2耐火玻璃
用于防火目的的单片防火玻璃，在火灾早期，依靠钢化处理形成的预应力抵抗高温形成的热应力。随着玻璃温度的上升，玻璃本身开始应力松弛，直至完全应力消失。随着温度的继续上升，玻璃开始软化坍塌，最终失去耐火完整性。
一般来说，玻璃在火灾前30分钟承受的热应力最大，因为此时温差最大。随后玻璃出现退火现行，热应力减少。在承受1小时火焰燃烧后，玻璃变得软化，只能依靠边框的夹持作用才能保持完整。因此，防火玻璃与边框必须有相应的耐火性能，缺一不可。
为了满足上述要求，我们采用欧洲进口单片防火玻璃生产线，保证批量生产的玻璃和检测送样的玻璃一致性。
4.3五金件
具备开启功能的防火窗，除了正常启闭操作外，要求额外配备窗扇启闭控制装置，以满足受火条件下的自动关闭功能。如果采用外露式闭窗器，不但影响外观和功能性，还存在私拆风险，隐藏式闭窗器则存在由于频繁使用影响寿命及失效的风险。而且，随着外窗的开启方式不同，需要考虑铰链同执行元件和温控元件的匹配问题。
图五：隐藏式防火五金件
图六：外平开窗产品安装部位图
4.4玻纤增强聚氨酯窗系统的保温性能
2019年1月7日，住房城乡建设部发布了公告，《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26-2018）自2019年8月1日起实施。新的规范中对于外窗的传热系数K [W/(m2·K)]要求明显提高。
表三：围护结构传热系数要求（JGJ26-2018）
规范同时要求，外窗及敞开阳台的门应具有良好的密闭性能。严寒地区外窗及敞开阳台的门气密性等级不应低于国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T7106-2008中规定的6 级。寒冷地区1～6层的外窗及敞开阳台的门气密性等级不应低于国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T7106-2008中规定的4级，7层及7层以上不应低于6级。
玻纤增强聚氨酯复合材料加工过程中，厚度方向尺寸收缩率小于1%，与设计尺寸偏差小，具有良好的尺寸稳定性。此外，由于材质构成中80%为玻璃，其线膨胀系数大大低于铝合金和PVC塑料，与混凝土墙体接近，可以有效避免由于热胀冷缩引起的门窗框尺寸变化，防止出现开关不易、密封不好等现象。使用玻纤增强聚氨酯复合材料的门窗，基于国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》，其气密性可达到8级水平，水密性达到该标准6级水平，隔声性能达到标准5级水平。
表四：玻纤增强聚氨酯保温耐火窗性能参考值（65窗为例）
5.玻纤增强聚氨酯窗系统测试报告
图七：玻纤增强聚氨酯整窗耐火报告
6.结语
6.1
建筑外门窗是建筑物的重要组成部分，需要保障最基本的通风和采光功能。同时，为了做到健康舒适和安全耐久，其他性能，比如气密性能、水密性能、抗风压性能、反复启闭性能和节能性能等也需要不断改善和提高。当前的耐火完整性要求是对建筑外窗性能的扩充和提升。建筑外门窗需要满足耐火完整性要求，满足耐火完整性性能指标的设计思路、检测技术和验收方式，应该和建筑门窗应该具备的其他各项物理力学性能指标相互协调，综合考虑，不应该以降低建筑外窗其他性能指标为前提。
6.2
聚氨酯门窗型材为连续玻璃纤维增强聚氨酯复合材料，以无碱玻璃纤维纱为增强材料，聚氨酯树脂为基体树脂，通过闭模注射拉挤工艺成型，型材本身就集保温、承载、耐火于一体，能够很好的兼顾耐火性能和保温性能。
浙江德毅隆科技股份有限公司 / 江苏源盛复合材料科技有限公司
浙江德毅隆科技股份有限公司（以下简称：德毅隆）是一家集新型复合材料研发、生产、销售及相关技术服务为一体具有自主知识产权的创新型公司。
通过复合材料技术深加工，生产节能/隔音/防火门窗、轨道疏散平台、海工平台等建筑节能、防火安全类产品，配套100万平米成窗用节能防火复合材料型材生产规模，匹配A类防火玻璃关键装备、原料、工艺均由德国引进，C类防火玻璃生产线为欧洲全线进口，技术质量与日本同类产品处于同一水平。
德毅隆公司倾力打造成智慧型工厂，主要承担建筑节能型材、防火型材、防火成窗、节能成窗、被动成窗、与窗配套的隔热型或非隔热型建筑防火玻璃、防火辅配件、五金件等产品的销售，相关建筑节能、防火应用技术支持和服务。
科思创
科思创是全球最大的聚合物生产商之一，2018年销售额达146亿欧元。其业务范围主要集中在高科技聚合物材料的生产制造，以及用于诸多日常生活领域的创新性解决方案的研发。主要服务领域涵盖汽车、建筑、木材加工和家具、电气和电子行业，其它领域还包括运动休闲、化妆品、医疗以及化工行业本身。截至2018年底，科思创在全球拥有30家生产基地、约16800位员工（按全职员工计算）。
中国是科思创全球最大单一市场。2018年，科思创中国的销售额为31亿欧元，占集团全球销售额约21%。截至2018年底，科思创在中国投资总额已超过33亿欧元。
科思创在中国广泛开展业务，建立了遍布全国的销售网络，为本地市场和客户提供高新材料产品及创新解决方案。目前，科思创在大中华区共拥有7大生产基地、1个亚太区域创新中心、6个办公点，为3000余名员工创造卓越的工作机会。因致力于为员工创造卓越雇佣条件，科思创中国被杰出雇主调研机构认证为2019年度“中国杰出雇主”。
科思创官方微信公众号：科思创在中国
参考文献
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