內外兼修——玻纖增強聚氨酯保溫耐火窗
解決方案
浙江德毅隆科技股份有限公司
科思創聚合物（中國）有限公司
摘要：國家標準GB50016-2014《建筑設計防火規范》頒布實施，對建筑門窗提出了耐火完整性要求。為了滿足規范，目前市場上出現了不同的耐火窗解決方案。玻纖增強聚氨酯型材可以很好地平衡和兼顧強度、保溫和耐火性能，是目前比較理想的解決方案。
關鍵字：玻纖增強聚氨酯型材耐火窗保溫節能耐火
目錄
1. 《建筑設計防火規范》的背景. 4
2. 耐火窗測試規范和要求. 4
3. 傳統材料用于耐火窗的主要難點. 5
3.1 PVC型材. 5
3.2 斷橋鋁型材. 5
4. 玻纖增強聚氨酯保溫耐火窗解決方案. 6
4.1 型材. 7
4.2 耐火玻璃. 9
4.3 五金件. 9
4.4 玻纖增強聚氨酯窗系統的保溫性能. 11
5. 玻纖增強聚氨酯窗系統測試報告. 12
6. 結語. 13
參考文獻. 15
1. 《建筑設計防火規范》的背景
近年來，建筑物高度不斷增加，高層建筑對防火的要求也越來越高。因為火勢的卷吸作用，在縱向上發展迅猛，高層建筑對救援設備和人員的要求很高。同時，因建筑節能需要，廣泛采用的外墻外保溫系統，也給建筑物帶來極大的火災安全隱患。一旦外墻外保溫材料被點燃，就會在其附存的狹窄空腔內借助抽煙助燃效應，對建筑外圍護結構，包括建筑門窗產生毀滅性的破壞，進而影響到建筑物室內的安全。
為了解決高層建筑發展和節能要求提高帶來的消防安全問題，《建筑設計防火規范GB50016-2014》對建筑外墻上的建筑門窗，首次提出了耐火完整性要求，主要應對外墻外保溫防火要求。《建筑幕墻、門窗通用技術條件GB/T31433-2015》則給出了門窗耐火完整性的定義：即在標準耐火試驗條件下，建筑門窗某一面受火時，在一定時間內阻止火焰和熱氣穿透或在背火面出現火焰的能力。
《建筑設計防火規范GB50016-2014》中對窗的防火要求主要有以下幾個方面：
a) 規范第5.5.32條中，要求建筑高度大于54m的住宅建筑，在每戶設置的避難間，其內門應采用乙級防火門，其外窗的耐火完整性不宜低于1.00h。
b) 規范第6.2.5條指出，對于建筑外墻上、下層外窗之間設置防火玻璃墻的，其外窗的耐火完整性在高層建筑和多層建筑中分別不應低于1.00h和0.50h。
c) 規范第6.7.7條要求，當建筑的外墻外保溫系統采用燃燒性能為B1、B2級的保溫材料時，除了采用B1級保溫材料且建筑高度不大于24m的公共建筑或采用B1級保溫材料且建筑高度不大于27m的住宅建筑外，建筑外墻上門、窗的耐火完整性不應低于0.50h。
2. 耐火窗測試規范和要求
“耐火窗”在我國現行的標準體系中尚無十分明確的術語定義，是目前門窗行業對具有耐火完整性的建筑外窗的一種習慣叫法。所謂“耐火窗”是隨著《建筑設計防火規范GB50016-2014》的實施才逐步投入使用的新型產品。
目前，我國建筑外門和外窗耐火完整性檢測技術，按照《建筑設計防火規范GB50016-2014》的要求，分別采用的是《門和卷簾的耐火試驗方法GB/T 7633-2008》和《鑲玻璃構件耐火試驗方法GB/T 12513-2006》中規定的檢測條件和判定規則，滿足相應耐火完整性0.5h或1.0h的要求。
圖一：耐火試驗升溫曲線
3. 傳統材料用于耐火窗的主要難點
窗系統是由窗框、玻璃、密封材料和五金件組成的，要達到所需的耐火性能，需要各組成部分之間相互協同和匹配。目前，針對各組成部分的改進措施中，較多集中在框/扇型材上。現有的各類型材材料，如塑鋼或鋁型材，如果不進行型材結構改造，基本無法滿足防火要求。
3.1 PVC型材
建筑用塑料門窗的主框架由PVC塑料型材和增強型鋼構成，雖然能滿足日常使用的耐熱要求，但PVC型材的耐火性能差，按照GB/T8814的要求，型材維卡軟化點≥75℃（維卡軟化溫度引用自JGT/263-2010建筑門窗用未增塑聚氯乙烯彩色型材），而PVC型材的加工溫度也只有180-250 ℃。而且，由于增強型鋼在塑料門窗型材的拼接處相互不連接，型材遇火后會發生框架變形、密封結構失效等現象。
目前，也有不少措施針對PVC材料，以提高PVC型材耐火性能，例如：
1) 增加阻燃劑：提高PVC型材的氧指數。
2) 增加壁厚：提高PVC型材的耐燒蝕能力。
3) 共擠耐熱層：提高表面維卡軟化點、耐燒蝕能力等。
4) 腔室填充：提供外層破壞后所需的支撐。
這些方法對提高PVC型材耐火的能力有所幫助，但很難解決PVC型材因軟化而導致的塑料門窗系統功能失效問題。
3.2 斷橋鋁型材
斷橋鋁門窗要達到耐火要求，需要解決兩個方面的問題。
首先，為了提高隔熱性能，斷橋鋁采用了斷橋，材質一般為玻纖增強尼龍，但其熔點僅為260℃左右，無法承受試驗高溫。其次，鋁材本身的耐高溫性能也存在不足：一般6063鋁合金的熔點介于550℃～650℃之間，無法耐受試驗需要達到的高溫。型材在未達到熔點之前，已經開始軟化，對保持窗體的完整性而言，帶來極大的挑戰。
因此，為了達到耐火要求，斷橋鋁一般采取增加鋼襯以及型腔填充的方案，但既要保護型材，又要保護斷橋，從而不過度喪失保溫性能，兼顧的難度很大。
4. 玻纖增強聚氨酯保溫耐火窗解決方案
要滿足現有的節能和耐火標準，需要在型材的機械性能，如剛度/強度、保溫性能和耐火性能之間取得很好的平衡。聚氨酯門窗型材為連續玻璃纖維增強聚氨酯復合材料，以無堿玻璃纖維為增強材料，聚氨酯樹脂為基體樹脂，通過閉模注射拉擠工藝成型，集保溫、承載、耐火于一體，能夠很好地兼顧耐火性能和保溫性能。
圖二：耐火窗型材截面設計
a) 承載型材采用連續玻纖增強聚氨酯復合材料，其纖維含量高達80wt%。向火面遇火時，型材的表面處理層與表層聚氨酯材料相繼燃燒，由數百萬根玻纖束構成防火墻的層層簾障能有效減緩燃燒向室內側蔓延。
b) 盡管向火側逐漸升溫至800℃以上，此類非金屬承載型材可以降低往背火側的傳熱；同時玻纖還未液化，留有較好的力學承載能力維持框體結構，避免變形過量產生縫隙。
c) 考慮到表面裝飾的需求，玻纖增強聚氨酯型材的室內外側也可以使用鋁合金飾面，這種情況下，燃燒時只有向火側的鋁合金會失去力學性能，但不影響整體結構。
d) 采用普通浮法（或Low-E）玻璃與防火玻璃組合而成的中空玻璃。火焰在突破中空層后，會被防火玻璃層有效阻擋。
e) 局部增強設計與無機密封材料在實現耐火增強的同時，對保溫性能并沒有明顯的影響。
4.1 型材
4.1.1 玻纖增強聚氨酯拉擠型材的力學性能和耐火性能
表一：玻纖增強聚氨酯型材典型力學性能*
*本表所列測試數據僅作為一般信息提供，只是近似值而非產品指標的一部分。性能數據來自單向纖維增強的拉擠板材，其玻纖含量約80wt%
玻纖增強聚氨酯型材的防火性能源自材料本身。玻璃纖維是一種無機纖維，有很好的阻燃性和耐熱性，熔點通常在1000度以上。而聚氨酯材料屬熱固性材料，遇火后會在表面形成一層碳化層，阻止火焰深入，不熔融、不產生溶滴。玻纖增強聚氨酯復合材料遇火難以燃燒，遇火面的高溫也難以傳導至另一面。
圖三：不同材料的熔點對比
圖四：不同材料熱膨脹系數比較
4.1.2 玻纖增強聚氨酯材料工藝優勢 ：
1) 纖維含量高，纖維結構簡單，型材性能優越。
§ 纖維含量可達80%，大大提高了型材的性能。
§ 減少甚至省去了了纖維氈或布的使用，大大簡化了生產，提高了效率。
§ 可生產復雜截面、薄壁的型材而不開裂。
§ 型材表面光滑。
2) 材料性能品質穩定可靠：
§ 原料配比固定。所有原材料均進行檢測后固定使用，保證產品質量。
§ 全自動化生產。原料配比、混合、輸送、纖維浸透、牽引、型材固化成型、切割等所有工序均由自動控制的設備完成，保證產品質量的一致性。
§ 密閉回路混料、浸潤。樹脂的配比、輸送、混合以及浸透產品在密閉的管路中進行，不與環境接觸，既避免了環境中粉塵、濕氣等對產品的影響。
3) 清潔環保生產：
§ 聚氨酯樹脂中不含苯乙烯，生產場所沒有刺激性氣味，最大限度地減少了對環境和工人健康的影響。
4.1.3 玻纖增強聚氨酯材料的表面裝飾
玻纖增強聚氨酯材料中纖維含量高，用于建筑物的窗框表面時，為了滿足防護和美觀的要求，可選擇合適的涂料體系對表面進行涂裝。科思創最新研發了新一代水性環保聚氨酯涂料，專門用于玻纖增強聚氨酯型材表面的裝飾和保護。具有以下特點：
§ 特定體系有效均勻覆蓋，改善玻纖增強聚氨酯材料表面平整度
§ 針對玻纖增強聚氨酯材料表面具有優良的附著性能
§ 持久的防護，耐光/紫外線，抗老化
§ 環保水性，可作為普通貨物存儲運輸，相比傳統溶劑型涂料，無隱患，低氣味，更安全環保。
§ 色彩、光澤以及表面裝飾效果可靈活選擇，滿足多樣化裝飾需求
表二：不同涂料體系對型材的涂裝對比
玻纖增強聚氨酯材料 水性聚氨酯涂裝后（白色） 水性聚氨酯涂裝后（彩色）
4.2 耐火玻璃
用于防火目的的單片防火玻璃，在火災早期，依靠鋼化處理形成的預應力抵抗高溫形成的熱應力。隨著玻璃溫度的上升，玻璃本身開始應力松弛，直至完全應力消失。隨著溫度的繼續上升，玻璃開始軟化坍塌，最終失去耐火完整性。
一般來說，玻璃在火災前30分鐘承受的熱應力最大，因為此時溫差最大。隨后玻璃出現退火現行，熱應力減少。在承受1小時火焰燃燒后，玻璃變得軟化，只能依靠邊框的夾持作用才能保持完整。因此，防火玻璃與邊框必須有相應的耐火性能，缺一不可。
為了滿足上述要求，我們采用歐洲進口單片防火玻璃生產線，保證批量生產的玻璃和檢測送樣的玻璃一致性。
4.3 五金件
具備開啟功能的防火窗，除了正常啟閉操作外，要求額外配備窗扇啟閉控制裝置，以滿足受火條件下的自動關閉功能。如果采用外露式閉窗器，不但影響外觀和功能性，還存在私拆風險，隱藏式閉窗器則存在由于頻繁使用影響壽命及失效的風險。而且，隨著外窗的開啟方式不同，需要考慮鉸鏈同執行元件和溫控元件的匹配問題。
圖五：隱藏式防火五金件
圖六：外平開窗產品安裝部位圖
4.4 玻纖增強聚氨酯窗系統的保溫性能
2019年1月7日，住房城鄉建設部發布了公告，《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ26-2018）自2019年8月1日起實施。新的規范中對于外窗的傳熱系數K [W/(m2·K)]要求明顯提高。
表三：圍護結構傳熱系數要求（JGJ26-2018）
規范同時要求，外窗 及敞開陽臺的門應具有良好的密閉性能。嚴寒地區外窗 及敞開陽臺的門氣密性等級不應低于國家標準《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》GB/T7106-2008中規定的6 級。寒冷地區1～6層的外窗 及敞開陽臺的門氣密性等級不應低于國家標準《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》GB/T7106-2008中規定的4級，7層及7層以上不應低于6級。
玻纖增強聚氨酯復合材料加工過程中，厚度方向尺寸收縮率小于1%，與設計尺寸偏差小，具有良好的尺寸穩定性。此外，由于材質構成中80%為玻璃，其線膨脹系數大大低于鋁合金和PVC塑料，與混凝土墻體接近，可以有效避免由于熱脹冷縮引起的門窗框尺寸變化，防止出現開關不易、密封不好等現象。使用玻纖增強聚氨酯復合材料的門窗，基于國家標準《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》，其氣密性可達到8級水平，水密性達到該標準6級水平，隔聲性能達到標準5級水平。
表四：玻纖增強聚氨酯保溫耐火窗性能參考值（65窗為例）
5. 玻纖增強聚氨酯窗系統測試報告
圖七：玻纖增強聚氨酯整窗耐火報告
6. 結語
6.1
建筑外門窗是建筑物的重要組成部分，需要保障最基本的通風和采光功能。同時，為了做到健康舒適和安全耐久，其他性能，比如氣密性能、水密性能、抗風壓性能、反復啟閉性能和節能性能等也需要不斷改善和提高。當前的耐火完整性要求是對建筑外窗性能的擴充和提升。建筑外門窗需要滿足耐火完整性要求，滿足耐火完整性性能指標的設計思路、檢測技術和驗收方式，應該和建筑門窗應該具備的其他各項物理力學性能指標相互協調，綜合考慮，不應該以降低建筑外窗其他性能指標為前提。
聚氨酯門窗型材為連續玻璃纖維增強聚氨酯復合材料，以無堿玻璃纖維紗為增強材料，聚氨酯樹脂為基體樹脂，通過閉模注射拉擠工藝成型，型材本身就集保溫、承載、耐火于一體，能夠很好的兼顧耐火性能和保溫性能。
浙江德毅隆科技股份有限公司/江蘇源盛復合材料科技有限公司
浙江德毅隆科技股份有限公司（以下簡稱：德毅隆）是一家集新型復合材料研發、生產、銷售及相關技術服務為一體具有自主知識產權的創新型公司。
通過復合材料技術深加工，生產節能/隔音/防火門窗、軌道疏散平臺、海工平臺等建筑節能、防火安全類產品，配套100萬平米成窗用節能防火復合材料型材生產規模，匹配A類防火玻璃關鍵裝備、原料、工藝均由德國引進，C類防火玻璃生產線為歐洲全線進口，技術質量與日本同類產品處于同一水平。
德毅隆公司傾力打造成智慧型工廠，主要承擔建筑節能型材、防火型材、防火成窗、節能成窗、被動成窗、與窗配套的隔熱型或非隔熱型建筑防火玻璃、防火輔配件、五金件等產品的銷售，相關建筑節能、防火應用技術支持和服務。
科思創
科思創是全球最大的聚合物生產商之一，2018年銷售額達146億歐元。其業務范圍主要集中在高科技聚合物材料的生產制造，以及用于諸多日常生活領域的創新性解決方案的研發。主要服務領域涵蓋汽車、建筑、木材加工和家具、電氣和電子行業，其它領域還包括運動休閑、化妝品、醫療以及化工行業本身。截至2018年底，科思創在全球擁有30家生產基地、約16800位員工（按全職員工計算）。
中國是科思創全球最大單一市場。2018年，科思創中國的銷售額為31億歐元，占集團全球銷售額約21%。截至2018年底，科思創在中國投資總額已超過33億歐元。
科思創在中國廣泛開展業務，建立了遍布全國的銷售網絡，為本地市場和客戶提供高新材料產品及創新解決方案。目前，科思創在大中華區共擁有7大生產基地、1個亞太區域創新中心、6個辦公點，為3000余名員工創造卓越的工作機會。因致力于為員工創造卓越雇傭條件，科思創中國被杰出雇主調研機構認證為2019年度“中國杰出雇主”。
科思創官方微信公眾號：科思創在中國
參考文獻
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[4]GB/T 31433-2015.建筑幕墻、門窗通用技術條件[S].北京:中國質檢出版社.2015
[5]GB/T 7633-2008 .門和卷簾的耐火試驗方法[S].北京:中國標準出版社.2008
[6]GB/T 12513-2006.鑲玻璃構件耐火試驗方法[S].北京:中國標準出版社.2006
[7]GB/T7106-2008.建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法[S].北京:中國標準出版社.2008
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