建筑性材料范文（精选9篇）
建筑性材料 第1篇
无论东方建筑还是西方建筑都是从开始的简单堆砌、搭建发展而来。建筑的历史可以表示为建筑形式不断发展和建筑材料不断产生的历史。以中国和欧洲的建筑文化为例,由于社会背景和信仰的不同使中国早期的建筑材料主要依赖木材,而西方主要为石材的发展。随着社会的发展天然的木材和石材已经不能满足人们对建筑形式的新的追求,随即出现了人们对新材料和新结构的追求。罗马人用火山灰加马鬃建造的罗马斗兽场开启了混凝土发展的先河,直到现在混凝土仍是不可或缺的建筑材料。混凝土的迅速发展不仅在于混凝土的抗压性等结构方面的优势还在于他的可塑性和表达的艺术性。随着混凝土的发展出现了建筑垃圾等各种建筑环境问题,之后人们开始追求绿色环保的建筑材料,使其不仅可以满足人们对建筑形式美的需求而且对环境无副作用,因此建筑师们又开始提出了对乡土材料的性能开发和利用。在现在或今后的时间,随着社会的发展和人们环保意识的增强,建筑的新形式不仅会出现,建筑的新材料必然也会源源不断的产生,建筑材料的性能等方面也会相应增加。
1建筑新的结构形式与建筑材料的相互性
从最初的建筑跨度、高度受限、抗震性能不足、受气候影响较大的建筑到现在的跨度、高度可达上百米、抗震性能强、不受气候影响的建筑形式,无不是在建筑材料的发展运用中孕育而生的,下面笔者分别以高层建筑和大跨建筑与新材料的运用的相互性研究为例进行简单阐释。
1.1 大跨建筑和新材料运用的相互性研究
从建筑长远发展的角度来看建筑向跨度和高度发展是建筑发展的必然趋势,体育建筑、展览建筑、商业建筑等功能的需求必然促使建筑结构向柱网少、柱距大的方向发展。然而大跨建筑新的形式的产生必然有一种新的材料形式与之相适应。
西方宗教建筑的穹顶从用重型建筑材料(砖、石)等建造,要突破各种材料的不利方面,运用各种力的分配方式,来消减穹顶对墙造成的各方面的力,不仅耗费大量的人力物力和大量的建造时间,如圣彼得大教堂穹顶的建造。然而,钢材建造的穹顶打破了之前穹顶建造的耗材多、人力大、费时长的常规,开辟了穹顶建造技术的先河。
结构类型决定材料的种类。大跨建筑结构体系可分为以下两类:第一类是平面的,如梁式体系(桁架、屋架)、框架体系(门式刚架)、拱式体系;第二类是空间的,其常用结构形式归纳为以下6种:①钢筋混凝土薄壳和折板结构;②平板网架结构;③网壳结构;④悬索结构;⑤膜结构和索-膜结构;⑥混合结构或称杂交结构(柔性和刚性构件的联合应用)。其中的前4种国内已有不少建成的工程实例,后2种还不多见。此外,介于平面和空间之间的新型结构,也已经得到人们的重视[1]。这些结构形式的运用必然使钢材、膜等材料的使用成为一种必然,反之,如果没有钢材和膜等结构的运用和发展、大跨建筑的建筑形式也不会在现代社会中耗费较短的工期完成。下面以已经实现的大跨可动轻型结构:西班牙塞维利建筑学院的埃斯克利格(F.Escrig)和圣切斯(J.Sanchez)教授设计的西班牙塞维利圣派柏罗体育中心一个游泳池的可拆卸覆顶为例进行阐述。
以上建筑形式采用的是“剪式枢轴+张力膜材”结构,收束后两捆33 m3的建筑构件,可以用来覆盖11 000 m3的空间,并且施工是在几天之内完成的,令人拍案称奇。框架的上下面皆覆以双层织物,织物的几何形状与框架结构的展开状态相符。结构全部展开时,织物受拉,提高了结构的稳定性。上下两层织物在一定位置互相连接,使得结构闭合时织物实现有序地折合[2]。
1.2 高层建筑和新材料运用的相互性研究
经济大发展和人口密度的增大,土地利用日趋紧张,建筑的水平发展已经不符合世界的发展趋势。世界大的背景促使建筑的向高向大发展,尤其近年来各国、各地区为了展示自己的经济实力,各种高层建筑相继产生。高层建筑的产生不仅仅只需要经济基础作为先决条件,还需要具有使其竖立起来并且能够抵抗各种荷载的材料作为支撑。下面以上海经贸大厦(见图1)和深圳地王大厦(见图2)为例进行分析
金茂大厦楼高420.5 m,其高度排名在上海位居第2(截至2012)、在中国大陆位居第3、在世界是排名第8的高楼。大厦于1994年开工,截止1998年建成,有地上88层,若再加上尖塔的楼层共有93层,地下3层,50层以下办公,53层以上为旅馆。楼面面积达27.870 7 m2,有多达130部电梯与555间客房,现已成为上海的一座地标。因为中国人对塔的喜爱,因此金茂大厦是融汇了中国塔型风格与西方建筑技术的综合度极高的摩天大楼设计,由著名的美国芝加哥SOM设计事务所的设计师Adrian Smith设计。其结构形式为钢-钢筋混凝土混合结构,大厦基础由钢管桩,钢筋混凝土底板和周围的连续墙组成,钢管桩共420根,直径914 mm,厚20 mm,埋入地下85 m深,每根承载力750 t。底板平面为6262(m)八角形,厚4 m。大厦结构体系由钢筋混凝土内筒、8个巨形外柱及连接两者的8个钢结构加强层组成[3]。
深圳地王大厦高69层,总高度达383.95 m,实高324.8 m,大楼于1996年完工是当时亚洲第一高楼,也是全国第一个钢结构高层建筑。经历了社会和经济的不断发展,现在仍是深圳第一高楼,位居目前世界十大建筑之列。 大楼建筑体形的设计灵感,来源于中世纪西方的教堂和中国古代文化中通、透、瘦的神髓,它的宽与高之比例为1∶9,创造了世界超高层建筑“扁”最“瘦”的纪录。33层高的商务公寓最引人注目的设计是空中游泳池,空间跨距约25 m,高20 m,上下扩展由9层至16层。
3建筑的新的装饰形式和建筑新材料的相互性
人们对于精神享受要求的提高,在建筑方面建筑的安全、使用原则已经不能满足人们的需求,因此各种各样的建筑装饰随之出现,也就促进了建筑材料的不断更显换代。下面笔者以彩色涂层钢板为例进行简单介绍。
彩色涂层钢板的定义:彩色涂层钢板通常是将冷轧钢板或镀层钢板进行表面化学处理,再涂上有机涂料然后经烘烤而制成的产品,在国外也常称之为“预涂镶钢板”、“塑料钢板”。由于现代彩色涂层钢板是在连续生产线上生产,因此也被称之为“卷涂层钢板”[4]。
彩色涂层钢板(见图3)在建筑中的运用:色彩缤纷的涂料使彩色涂层钢板具有极好的装饰性,并且,经过化学处理的,涂敷多层防护处理有机涂料等工序,使彩色涂层钢板比普通钢材更具耐腐蚀性。由于彩色涂层钢板具有钢板的刚性和可加工性,可弯曲、冲压,因此可制成各种压型钢板作屋面和墙面,也可辊压加工成门窗等建筑构件。彩色涂层钢板作为一种高效钢材在制作建筑结构时有较高的强度/重量比,材料有良好的荷载/跨度特性,可减少用钢量,另外采用适合的粘接剂可将彩色涂层钢板与聚苯质泡沫塑料粘接制成夹芯板(或称三明治板),这种材料耐蚀、轻质、保温、绝热、阻燃,是制作轻质房屋的优良材料之一。
4传统建筑材料在现代建筑中的运用
随着生态的破坏和各种环境问题的出现,人们不仅只是意识到了单纯保护环境的重要性,而且从建筑方面大力的提倡绿色、节能、生态建筑,鼓励传统建筑材料的使用。下面笔者将以木材为例简单阐述木材在现代建筑中的运用。
在当今世界充满着传统问题和世界文化之间的碰撞和交织,我们要用发展的眼光看待传统建筑材料。对于传统材料和工艺,杜绝外来信息自我膨胀必然使得传统材料失去发展空间。因此打破传统材料和工艺的空间概念束缚,汲取时代的养分和精华,落实创新,才能与时俱进,顺应时代发展的要求并且带给传统建筑材料以新的生命和活力。当今的工艺技术的高度发展带给了传统材料一个新的平台,只有新工艺、新技术、新材料的完美融合才能摆脱传统材料的局限性和拓展自身的应用空间局限性[5]。
(1)圣贝尼迪格教堂木材运用的典范:他坐落于瑞士东部的小镇苏维格,建筑采用当地传统的建筑材料木材进行建造,并且能够与周围的环境相融合(见图4～5)。由于教堂位于山谷的上风处并且风力强劲,设计师匠心独运把教堂平面设计成水滴形,不仅充分保持了外观设计上的律动感,更重要的是减小了建筑的风阻。
(2)美国摩尔住宅木与石的结合:主要建筑材料为木材和砖石(见图6～7),更有甚者其他部分建筑材料直接就地取材,成熟的红橡树的树干被做成建筑的承重木柱和屋梁,基地中取来的石材则被处理成了围墙的样式。运用未经加工的原木能够呈现出的质朴浑厚的感觉,甚至还能散发出原木芬芳的气韵,与砖石相融并且赋予建筑以质朴的乡土特色,使得建筑与自然和环境融为一体,共同构建自然和谐的原生态家园。
参考文献
[1]施建平.大跨屋盖空间桁架拱的探索和实践[J].铁道标准设计,2000,20(1):24.
[2]董宇,刘德明.大跨建筑结构形态轻型化趋向的生态阐释[J].华中建筑,2009,27(6):39.
[3]王燕.世界超高层建筑材料结构发展分析[J].青岛建筑工程学院学报,1997,18(3).
[4]毛汉华.建筑新材料-彩色涂层钢板[J].建筑施工,1992,14(4).
建筑材料不燃性试验操作方法 第2篇
1、试验设备主要由加热炉与控制箱两大部分组成。
2、电源电压：AC220V±10%，50HZ，电流≤10A；
3、稳定时间：从室温升至750℃≤1h；
4、炉内温度：（750℃±10）℃；
5、炉内温度漂移：＜5℃/10min；
6、加热功率：800W—1000W；
7、最大功率：1.5KW；
8、功率加热电压：110V，电流＜11A；
9、加热炉：Φ95mm×Φ75mm×Φ150mm，3mm×0.2mm的镍80%铬20%的电阻带；
10、气流罩：Φ75mm*50mm；
11、电控箱外形尺寸：L770mm*W500mm*H1720mm。产品外观及主要部件展示与控制面板 电源：此开关控制试验机电的通断。试验电压：记录试验时通过的电压。试验电流：记录加热时通过的电流。电脑控制系统：试验操作控制系统。主机电源：按下此钮，电脑主机通电，电脑启动。三：使用环境
1、地面平整，通风良好，不含易燃、易爆、腐蚀性气体和粉尘。
2、附近没有强电磁辐射源。
3、设备周围留有适当的维护空间。
4、环境温度：RT～35℃。
5、输入电源：AC220V/50Hz。
6、电压允许波动范围：220V±10%。
7、频率允许波动范围：50Hz±1%。四：注意事项
1、试验装置不要设在风口，也不要受到任何形式的强烈日照或人工光照，以利于对炉内火焰的观察。试验过程中室温变化不要超过﹢5℃。
2、此设备在使用期间，必须可靠接地，否则有触电危险。
3、试验结束后，取试样架时，务必做好防护措施，以免高温烫伤。
4、此设备必须安置在干燥的室内环境，以防生锈。
5、为延长试验设备的使用寿命，请定期给设备通电。
建筑性材料 第3篇
关键词：释热性,单火源试验,燃烧增长速率指数,最大平均热释放速率指数
我国根据欧盟标准EN ISO 13823:2002《建筑制品对火反应非铺地建筑制品单火源试验》制定了GB/T20284-2006《建筑材料或制品的单体燃烧试验方法》 (以下称 “SBI试验”) , 并采用燃烧增长速率指数 (FireGrowth Rate Index, FIGRA) 作为非铺地建筑材料及制品的释热性评价参数。FIGRA作为非铺地建筑材料及制品燃烧性能分级的重要指标之一, 涉及到我国现行国家标准GB 8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》和即将实施的标准GB 8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》7 个燃烧性能等级中的5 个级别。 但由于FIGRA定义为受火时间 (t-300) 内的最大热释放加速度, 存在过分考虑受火初期阶段着火速率的问题, 因而有必要对非铺地建筑材料及制品的释热性评价参数进行探讨分析。
1 燃烧增长速率指数及其评价释热性的客观性分析
1.1 燃烧增长速率指数的含义与计算方法
FIGRA为测试样品在受火时间 (t-300) 内的最大单位时间热释放速率 (Heat Release Rate, HRR) , FIGRA的计算方法如式 (1) 所示。
式中:FIGRA为燃烧增长速率指数, W/s;t为试验时间, s;HRRav (t) 为HRR在t时刻前后30s内的平均值, kW。
1.2 燃烧增长速率指数在释热性评价中存在的问题
由式 (1) 可以看出, FIGRA取决于HRRav和t两个变量, 反映的是测试样品在 (t-300) 时间内的最大热释放加速度, 即 (t-300) 时间内HRRav增长速率的最大值。由于HRRav为HRR在t时刻前后30s内的平均值, 而 (t-300) 在不断增大, 因而即使是在整个受火过程中HRRav相同, FIGRA值也会在受火初期较大, 而在受火后期较小。这意味着FIGRA过分考虑了测试样品在受火初期热释放速率的快速增长, 而没有合理反映整个受火过程的热释放性能。
2 最大平均热释放速率指数与燃烧增长速率指数比较
2.1 最大平均热释放速率指数的提出
虽然欧盟标准BS EN 13501-1《建筑制品及构件燃烧分级第1部分:使用对火反应试验数据分级》 (2002版和2007版) 基于SBI试验采用了FIGRA作为非铺地建筑材料及制品释热性的评价参数, 我国也沿用了这一评价指标, 但欧盟标准化委员会 (European Committee forStandardization, CEN) 发布的CEN TS 45545-2:2006《铁路系统应用铁路机车消防第2部分:材料及组件的燃烧性能要求》和国际标准化组织 (International Or-ganization for Standardization, ISO) 发布的BS ISO25762:2009《塑料纤维增强聚合复合材料的燃烧特性与燃烧性能评价指南》则基于ISO 9705、SBI和ISO 5660-1等试验提出了采用最大平均热释放速率指数 (Maxi-mum Average Rate of Heat Emission, mARHE) 作为评价非铺地建筑材料及制品释热性的参数。也就是说, 除了FIGRA以外, mARHE也可以作为评价非铺地建筑材料及制品释热性的指标。
2.2 最大平均热释放速率指数的含义与计算方法
mARHE定义为测试样品在受火时间 (t-300) 内的最大平均单位时间总放热量 (Total Heat Release, THR) , 其计算方法如式 (2) ~式 (4) 所示。
式中:THR (t) 为试样在 (t-300) 内的总放热量, kJ;HRR (t) 为试样的热释放速率, kW;ARHE (t) 为 (t-300) 内的平均热释放速率 (Average Rate of Heat Emission) , kW;mARHE为最大平均热释放速率指数, kW。
mARHE取决于THR和t两个变量, 反映的是受火时间 (t-300) 内的最大平均热释放速率, 该参数考虑了测试样品在受火过程中热量释放的累加效应和平均热释放速率, 较为客观地反映了测试样品在整个受火过程中的热释放性能。因此, 建议采用mARHE作为非铺地建筑材料及制品的释热性评价参数。
2.3 最大平均热释放速率指数与燃烧增长速率指数
虽然FIGRA与mARHE都是基于SBI试验的HRR数据得到的, 但二者不仅计算方法不同, 其评价非铺地建筑材料及制品燃烧性能的分级标准也各不相同。图1给出了基于FIGRA和mARHE的燃烧性能分级临界值。
3 实验数据分析
3.1 实验材料和实验方法
实验选取聚氨酯硬泡沫保温板、阻燃细木工板、未阻燃细木工板、橡塑保温板、阻燃胶合板和未阻燃胶合板等6种常用非铺地建筑材料及制品作为测试样品, 实验设备采用南京市江宁区分析仪器厂生产的DT-1型建材制品SBI装置 (如图2所示) 。
实验按照GB/T 20284-2006要求, 采用纯度不小于95%的商用丙烷作为燃烧气源, 质量流速为645mg/s, 以30kW的功率提供连续20 min的持续加热。实验将选取的6种实验材料分别制成 (495±5) mm (1 500±5) mm和 (1 000±5) mm (1 500±5) mm两种尺寸的试样;试样厚度为其实际厚度 (若试样厚度超过200mm, 则在非受火面切除多余部分以使试样厚度为200mm) 。按照长、短翼方向将两种不同尺寸的试样成直角垂直安装于小推车上, 将小推车推入固定框架中, 启动测量装置。
3.2 数据分析与讨论
根据SBI试验得到的实时HRR数据, 分别计算6种测试样品在不同时刻下的HRRav的增长速率HRRav (t) / (t-300) 和平均热释放速率ARHE, 如图3~ 图14 所示。表1和表2给出了6种测试样品的有关释热性数据和燃烧性能分级结果。
3.2.1 聚氨酯硬泡沫保温板、阻燃细木工板和未阻燃细木工板
对聚氨酯硬泡沫保温板、阻燃细木工板和未阻燃细木工板这3种材料而言, 虽然采用FIGRA和mARHE作为评价参数得到的燃烧性能等级没有差别, 但HRRav (t) / (t-300) -t和ARHE-t两组曲线的变化趋势有很大不同, FIGRA出现时间均早于mARHE的出现时间。
由表1、表2和图3可以看出, 聚氨酯硬泡沫保温板从300s开始起算的t时刻HRRav的增长速率HRRav (t) / (t-300) 的值在受火后24s进入D级区域, 在51s出现最大值FIGRA0.4 MJ (对应的HRR和THR分别为31.69kW和0.59 MJ) , 并在受火132s后离开D级区域, 此区间内的HRR介于3.95~41.20kW之间;而ARHE的值在受火381s后进入D级区域, 在525s出现最大值mARHE (其对应的HRR和THR分别为39.61kW和20.55 MJ) , 并在受火783s后离开D级区域, 此区间内的HRR介于8.76~74.65kW之间。显然, 聚氨酯硬泡沫保温板HRRav (t) / (t-300) 大于相应分级临界值的持续时间较短 (108s) , 出现FIGRA的时间较早 (约为mARHE出现时间的1/10) , 大体上对应于测试样品的第1个HRR峰, 但此HRR峰并非整个放热过程的最大值阶段, 且对应的THR值也非常小;虽然第2 个HRR峰比第1个HRR峰数值更大, 但由于其出现得较晚, 计算出的FIGRA值较小, 因而FIGRA未能客观反映出测试样品在受火后期的放热情况。相比之下, 聚氨酯硬泡沫保温板ARHE大于相应分级临界值的持续时间长 (402s) , 其对应的HRR (第2个HRR峰) 和THR均为整个受火过程中的最大值, 基于ARHE确定的mARHE较好地反映了聚氨酯硬泡沫保温板在整个受火过程中的释热性。
阻燃细木工板和未阻燃细木工板的数据分析结果也说明了同样的问题 (见表1、表2、图5~图8) 。阻燃细木工板和未阻燃细木工板HRRav (t) / (t-300) 的值大于相应分级临界值的持续时间 (分别为201s和156s) 均小于ARHE大于相应分级临界值的持续时间 (分别为564s和423s) , 出现FIGRA0.4 MJ的时间 (141s和102s) 均早于mARHE的出现时间 (369s和300s) 。HRRav (t) / (t-300) 和FIGRA0.4 MJ对应于两种测试样品受火初期HRR快速增长但数值未达到最大的阶段, 未能客观反映测试样品整个受火过程的放热情况;而ARHE和mAR-HE对应的HRR和THR均具有相对较大的数值, 较好地反映了测试样品在整个受火过程中的释热性。
3.2.2 橡塑保温板、阻燃胶合板和未阻燃胶合板
对橡塑保温板、阻燃胶合板和未阻燃胶合板这三种材料而言, 不仅HRRav (t) / (t-300) -t和ARHE-t两组曲线的变化趋势不同, 而且采用FIGRA和mARHE作为评价参数得到的测试样品的燃烧性能分级结果也是不同的, 见图9、图10所示。
由表1、表2 和图9、图10 可以看出, 橡塑保温板HRRav (t) / (t-300) 的值在受火后6s进入D级区域, 在45s出现最大值FIGRA0.4 MJ为265.94W/s (对应的HRR和THR分别为11.50kW和0.41MJ) , 随后离开D级区域;而ARHE的值从受火开始到结束一直处于A2/B级区域, 在受火105s时出现最大值mARHE (对应的HRR和THR分别为10.55kW和1.13 MJ) 。由于受火初期从300s开始起算的t时刻测试样品HRRav的快速增加, FIGRA数值大于250 W/s, 因而将橡塑保温板的燃烧性能划归为D级, 这个结果过分放大了受火初期橡塑保温板的释热性, 没有考虑测试样品的实际HRR和THR的大小。比较而言, ARHE和mARHE与测试样品在整个受火过程中的热释放性能具有较好的一致性, 基于mARHE数据判定橡塑保温板的燃烧性能为A2/B级, 较为客观地反映了橡塑保温板的释热性。
FIGRA同样也高估了阻燃胶合板和未阻燃胶合板的释热性 (见表1、表2、图11~图14) 。阻燃胶合板和未阻燃胶合板HRRav (t) / (t-300) 的值大于相应分级临界值的持续时间较短 (分别为6 s和105 s) , 出现FIGRA0.4MJ的时间较早 (分别为66s和84s) , 均对应于测试样品受火初期HRR快速增长, 但数值未达到最大的阶段 (HRR分别介于16.99~18.33 kW和13.90~44.71kW) , 基于FIGRA0.4 MJ数据 (分别为252.97 W/s和424.65 W/s) 判定两种测试样品的燃烧性能均为D级, 较高估计了测试样品的释热性;而ARHE大于相应分级临界值的持续时间较长 (分别为570s和657s) , 对应的HRR和THR具有相对较大数值 (HRR分别介于20.58~36.45kW和21.33~44.71kW) , 基于mARHE数据 (分别为23.01kW和28.82kW) 判定两种测试样品的燃烧性能均为C级, 较为合理地反映了测试样品的释热性。
4 结论
通过对FIGRA和mARHE的理论分析和对6种常用非铺地建筑材料及制品SBI试验数据的分析比较, 主要得出以下三方面的结论。
(1) FIGRA和mARHE计算方法的理论分析结果表明, FIGRA反映的是测试样品在受火时间 (t-300) 内热释放速率增长速率的最大值, 该参数过分考虑了测试样品在受火初期热释放速率的快速增长, 没有合理反映整个受火过程的热释放性能;而mARHE反映的是受火时间 (t-300) 内的最大平均热释放速率, 该参数综合考虑了测试样品在受火过程中热量释放的累加效应和平均热释放速率, 较为客观地反映了测试样品在整个受火过程中的热释放性能。因此, 建议采用mARHE作为非铺地建筑材料及制品的释热性评价参数。
(2) 聚氨酯硬泡沫保温板、阻燃细木工板和未阻燃细木工板的SBI试验结果与数据分析表明, 虽然这3种材料采用FIGRA和mARHE作为评价参数得到的燃烧性能等级相同, 但基于SBI试验HRR数据得到的HRRav (t) / (t-300) -t和ARHE-t两组曲线的变化趋势有很大区别。上述3种测试样品HRRav (t) / (t-300) 的值大于相应分级临界值的持续时间均较短, FIGRA的出现时间较早, 对应于测试样品受火初期HRR快速增长但数值未达到最大的阶段, 未能客观反映测试样品整个受火过程的放热情况;而ARHE大于相应分级临界值的持续时间较长, mARHE的出现时间对应于测试样品在整个受火过程中HRR和THR的大值区域, 较好地反映了测试样品在整个受火过程中的释热性。
材料焊接性 第4篇
材料在限定的焊接施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。（国家标准）
一是结合性能----工艺焊接性 材料在焊接加工中是否容易形成接头或产生缺陷
二是使用性能
焊接完成的接头在一定使用条件下可靠运行的能
二、研究焊接性的目的
1查明指定材料在指定焊接工艺条件下可能出现的问题
2确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向
三、影响焊接性的因素
1材料因素2设计因素3工艺因素4服役环境
四、评定焊接性的原则
一是评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定合理的焊接工艺提供依据； 二是评定焊接接头能否满足结构使用性能要求
五、评定焊接接头工艺缺陷的敏感性主要进行抗裂性试验，其中包括热裂纹试验、冷裂纹试验、消除应力裂纹试验和层状撕裂试验。
六、实焊类方法包含：裂纹敏感性试验、焊接接头的力学性能测试、低温脆性试验、断裂韧性试验、高温蠕变及持久强度试验。（较小的焊件直接做试验，较大的实物缩小化）
七、碳当量的间接估测法
定义：可以把钢中合金元素的含量按相当于若干碳含量折算并叠加起来，作为粗略评定钢材冷裂纹倾向的参数指标，即所谓碳当量（CE或Ceq）。焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有密切关系 化学成分间接地评估钢材冷裂纹的敏感性。将钢中各种合金元素折算成碳的含量。
钢中决定强度和可焊性的因素主要是含碳量。以Ceq值的大小估价冷裂纹倾向的大小，认为Ceq值越小，钢材的焊接性能越好。缺点：
1碳当量公式没有考虑元素之间的交互作用
2没有考虑板厚、结构拘束度、焊接工艺、含氢量等因素的影响。3用碳当量评价焊接性是比较粗略的，使用时应注意条件。所以，碳当量法只能用于对钢材焊接性的初步分析 1）使用国际焊接学会（IIW）
推荐的碳当量公式时，对于板厚δ＜20mm的钢材 CE＜0.4%焊接性良好，焊前不需要预热；
CE＝0.4%-0.6%，尤其是CE>0.5%时，焊接性差，钢材易淬硬，表焊接性已变差，焊接时需预热才能防止裂纹，随板厚增大预热温度要相应提高。2)日本工业标准（JIS）的碳当量公式时
当钢板厚度δ＜25mm和采用焊条电弧焊时（焊接热输入为17kJ/cm），对于不同强度级别的钢材规定了不产生裂纹的碳当量界限和相应的预热措施
斜Y坡口焊接裂纹试验法: 此法主要用于评定碳钢和低合金高强钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。低合金钢“小铁研”试验表面裂纹率小于20%时，用于一般焊接结构生产是安全的。
八、微合金控轧钢：采用微合金化和控轧等技术，达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果。
九、热裂纹和消除应力裂纹
(1)焊缝中的热裂纹：焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的裂纹。
热轧、正火钢一般含碳量较低，而Mn含量较高，因此Mn/S比能达到要求，具有较好的抗热裂性能。异常：热轧及正火钢中C、S、P等元素含量偏高或严重偏析有关。
（2）消除应力裂纹：焊后焊件在一定温度范围再次加热时，由于高温及残余应力的共同作用而产生的晶间裂纹。
产生部位：在热影响区的粗晶区，延向细晶区停止
产生原因：与杂质元素在奥氏体晶界偏聚及碳化物析出“二次硬化”导致的晶界脆化有关。
十、低合金高强钢焊缝金属的组织主要包括：先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体、上贝氏体、珠光体等，马氏体较少。
11、热应变脆化：由氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成的钉轧作用造成的。措施：在钢中加入足够量的氮化物形成元素（Al、Ti、V），如Q420比Q345倾向小。、焊后退火处理。
12、热轧、正火钢预热和焊后热处理的目的：
预热作用：改善韧性，降低马氏体转变时的冷却速度，创造马氏体“自回火”条件，从而避免产生冷裂纹。
预热温度的选择与材料的淬硬倾向、焊接时的冷却速度、拘束度、含氢量、焊后是否进行热处理有关。焊后热处理作用：焊件焊后或冷加工后钢的韧度过低，要求结构尺寸稳定或要求焊件耐应力腐蚀，则需要进行焊后热处理。
13、热轧、正火钢确定焊后回火温度的原则
（1）不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能（2）对于有回火脆性的材料，要避开出现回火脆性的温度区间
14、“调质钢”：经过“淬火+回火”热处理的钢（在焊接界高温回火或低温回火均称为调质）
15、提高钢的脆透性和马氏体的回火稳定性：添加如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等
16、低碳调质钢焊缝等强匹配：（σb）w/（σb）b=1时，称为等强匹配（焊缝强度等于母材的强度）
17、低碳调质钢热影响区软化：本质碳化物沉淀、聚集长大
18、低温钢按有无镍分类：无镍（铝镇静低温钢、低合金低温钢），有镍(低、中、高)
19、低碳调质钢焊接时可能出现的问题？简述低碳调质钢的焊接工艺要点 焊接时易发生脆化，焊接时由于热循环作用使热影响区强度和韧性下降。
焊接工艺特点：①要求马氏体转变时的冷却速度不能太快，使马氏体有一“自回火”作用，以防止冷裂纹的产生；②要求在800~500℃之间的冷却速度大于产生脆性混合组织的临界速度。此外，焊后一般不需热处理，采用多道多层工艺，采用窄焊道而不用横向摆动的运条技术。
20、珠光体耐热钢的焊接性特点与低碳调质钢有什么不同?珠光体耐热钢选用焊接材料的原则与强度用钢有什么不同？为什么？ 答：珠光体耐热钢和低碳调质钢都存在冷裂纹，热影响区硬化脆化以及热处理或高温长期使用中的再热裂纹，但是低碳调质钢中对于高镍低锰类型的刚有一定的热裂纹倾向，而珠光体耐热钢当材料选择不当时才可能常产生热裂纹。珠光体耐热钢在选择材料上不仅有一定的强度还要考虑接头在高温下使用的原则，特别还要注意焊接材料的干燥性，因为珠光体耐热钢是在高温下使用有一定的强度要求。
21、不锈钢及耐热钢按组织分类：奥氏体钢，铁素体钢、马氏体钢、铁素体-奥氏体双相钢、沉淀硬化钢
22、不锈钢的主要腐蚀形式有：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀
23、晶间腐蚀：在晶粒边界发生的有选择性的腐蚀现象。
24、晶间腐蚀与晶界贫“铬”现象有关。奥氏体不锈钢是由于经450～850℃加热（敏化加热），即过饱和固溶的碳向晶粒边界扩散，产生晶间腐蚀与晶界贫“铬”现象。对于铁素体钢，由于碳在铁素体中扩散速度快，故快冷时就易析出Cr23C6，再次加热时就易使碳化物溶解，消除贫铬层。
25、应力腐蚀：不锈钢在特定的腐蚀介质和拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象。26、475℃脆性：在430~480℃之间长期加热并缓冷，就可导致在常温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现象。
27、σ相：Cr的质量分数约45%的典型FeCr金属间化合物，无磁性，硬而脆。
28、奥氏体钢接头耐蚀性：晶间腐蚀有代表性的18-8钢焊接接头，有三个部位出现晶间腐蚀现象，包括焊缝区腐蚀、敏化区腐蚀、熔合区腐蚀。防止焊缝区晶间腐蚀，采取措施有：
①通过焊接材料，使焊缝金属或者成为超低碳情况，或含有足够的稳定化元素Nb，一般希望Nb≥8%或Nb≈1%；
②调整焊缝成分以获得一定的铁素体(δ)相。
29、HAZ敏化区晶间腐蚀：指焊接热影响区中加热峰值温度处于敏化加热区间的部位所发生的晶间腐蚀。
只有普通18-8钢才会有敏化区存在，含Ti或Nb的18-8Ti或18-8Nb，以及超低碳的18-8钢，不易有敏化区出现。防止18-8钢敏化区腐蚀，在焊接工艺上应采取快速过程，以减少处于敏化加热去区间。30、熔合区刀口腐蚀：只出现在18-8中（Ⅹ）
31、为什么18-8奥氏体不锈钢焊缝中要求含有一定数量的铁素体组织？通过什么途径控制焊缝中的铁素体含量？
答：焊缝中的δ相可打乱单一γ相柱状晶的方向性，不致形成连续，另外δ相富碳Cr，又良好的供Cr条件，可减少γ晶粒形成贫Cr层，故常希望焊缝中有4%~12%的δ相。
通过控制铁素体化元素的含量，或控制Creq/Nieq的值，来控制焊缝中的铁素体含量。32、18-8型不锈钢焊接接头区域在那些部位可能产生晶间腐蚀，是由于什么原因造成？如何防止？
答：18-8型焊接接头有三个部位能出现腐蚀现象：{1}焊缝区晶间腐蚀。产生原因根据贫铬理论，碳与晶界附近的Cr形成Cr23C6，并在在晶界析出，导致γ晶粒外层的含Cr量降低，形成贫Cr层，使得电极电位下降，当在腐蚀介质作用下，贫Cr层成为阴极，遭受电化学腐蚀；{2}热影响区敏化区晶间腐蚀。是由于敏化区在高温时易析出铬的碳化物，形成贫Cr层，造成晶间腐蚀；{3}融合区晶间腐蚀{刀状腐蚀}。只发生在焊Nb或Ti的18-8型钢的融合区，其实质也是与M23C6沉淀而形成贫Cr有关，高温过热和中温敏化连过程依次作用是其产生的的必要条件。
防止方法：{1}控制焊缝金属化学成分，降低C%，加入稳定化元素Ti、Nb； {2}控制焊缝的组织形态，形成双向组织{γ+15%δ}； {3}控制敏化温度范围的停留时间；
{4}焊后热处理：固溶处理，稳定化处理，消除应力处理。
33、铝及铝合金分类：工业纯铝、防锈铝、防锈铝、硬铝、锻铝、超硬铝、特殊铝
非热处理强化铝合金－－－3系列、4系列、5系列
热处理强化铝合金－－－2系列、6系列、7系列
34、铝及铝合金熔焊是最常见的缺陷是焊缝气孔，特别是对于纯铝和防锈铝的焊接
35、焊接热裂纹：焊丝成分的影响，采用异质焊丝，即其他合金组成的焊丝（同质焊丝具有较大的裂纹倾向）
36、非时效强化铝合金HAZ的软化：主要发生在焊前经冷作硬化的合金上。经冷作硬化的铝合金，热影响区峰值温度超过再结晶温度（200~300℃）的区域时就产生明显的软化现象。
37、铜材的焊接工艺要点
焊前准备
铜易氧化，工件表面会有氧化膜，此外油、水份、污物等亦妨碍焊接，必须清理干净。
焊接工艺条件的一般要求（弧焊为主）
（1）因其导热快，要求采用大电流。
（2）合理设计坡口形式以尽量减少拘束和收缩应力。
（3）合理的焊接顺序。
（4）推荐采用TIG焊（填丝容易控制）。
（5）采用Ar或富Ar的（Ar+He）混合气体保护。
焊接参数
（1）铜及其合金的TIG焊，一般多采用直流正接。
（2）铍青铜和铝青铜，采用反接；亦可用交流，能清除氧化膜同时减少钨极过热。
（3）熔化极氩弧焊采用反接。
——焊接质量的相关问题及予防措施
纯铜及铜合金焊接区的主要缺陷：裂纹、气孔。裂纹主要是热裂纹、氢蚀裂纹
预防措施：A）采用含有脱氧剂（Mn、Si、Ti等）的焊丝；B）高温预热；C）焊后缓冷；D）磁力搅拌熔池
焊接中应注意的问题：预热、防止气孔、焊接用焊丝、防止变形、防止未熔合/未焊透、HAZ强度下降
38、为什么Al-Mg及al-li合金焊接时易形成气孔？al及其合金焊接时产生气孔的原因是什么？如何防止气孔？为什么纯铝焊接易出现分散小气孔？而al-mg焊接时易出现焊接大气孔？
答：1）氢是铝合金及铝焊接时产生气孔的主要原因。
2）氢的来源非常广泛，弧柱气氛中的水分，焊接材料以及母材所吸附的水分，焊丝及母材表面氧化膜的吸附水，保护气体的氢和水分等都是氢的来源。
3）氢在铝及其合金中的溶解度在凝点时突降，这是促使焊缝产生气孔的重要原因之一。
4)铝的导热性很强，熔合区的冷速很大，不利于气泡的浮出，更易促使形成气孔
防止措施：1）减少氢的来源，焊前处理十分重要，焊丝及母材表面的氧化膜应彻底清除。
2）控制焊接参数，采用小热输入减少熔池存在时间，控制氢溶入和析出时 3）改变弧柱气氛中的性质
原因：1）纯铝对气氛中水分最为敏感，而al-mg合金不太敏感，因此纯铝产生气孔的倾向要大
2）氧化膜不致密，吸水强的铝合金al-mg比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向，因此纯铝的气孔分数小，而al-mg合金出现集中大气孔
3）Al-mg合金比纯铝更易形成疏松而吸水强的厚氧化膜，而氧化膜中水分因受热而分解出氢，并在氧化膜上冒出气泡，由于气泡是附着在残留氧化膜上，不易脱离浮出，且因气泡是在熔化早期形成有条件长大，所以常造成集中大的气孔。因此al-mg合金更易形成集中的大气孔。
39、硬铝及超硬铝焊接时易产生什么样的裂缝？为什么？如何防止裂纹？
答：裂纹倾向大，铝及硬铝产生焊接热裂纹
原因：1）易熔共晶的存在，是铝合金焊缝产生裂纹的重要原因
2）线膨胀系数大，在拘束条件下焊接时易产生较大的焊接应力也是产生裂纹的原因之一
防止措施：1）加合金元素cu,mn,si,mg,zn使主要合金元素含量Me%>Xm，产生自愈合作用
2）生产中采用含5%的Si，Al合金焊丝解决抗裂问题，具有很好的愈合作用 3）加入Ti,zr,v,b微量元素作为变质剂，细化晶粒，改善塑性韧性，并提高抗裂性
4）热能集中焊接方法可防止形成方向性强的粗大柱状晶，改善抗裂性 5）采用小电流焊接，降低焊接速度均可改善抗裂性问题
论述题
1.2000年9月,天铁集团承担了套筒的制作任务,材质16Mn,壁厚30mm,直径3.5m,高4m,制作时采用手工电弧焊,焊条J506,无预热,焊后自然冷却。焊后，表面质量均达到图纸要求，没有宏观缺陷。但放置两天后，产生许多小裂纹，大多分布在熔合线多表现为纵向裂纹。（1）分析什么缺陷及其原因（2）合理工艺措施某电机厂准备开发一款新型的风力发电机，转子为焊接结构轴材为42CrMo, 尺寸φ210mm×620 mm，供货状态为调质； 辐板为Q235，尺寸160 mm×600 mm×40 mm，供货为热轧，化学成分和结构如下。（1）分析焊接性？（2）确定合理的焊接材料？（3）焊接结构？
建筑性材料 第5篇
关键词：硅当量,建筑材料,不可再生资源耗竭
0 引言
生命周期评价 (Life Cycle Assessment, 简称为LCA) 是对产品 (服务) 全生命过程, 包括原材料的提取和加工、产品制造、使用、再生循环直至最终废弃的环境因素的判别及潜在的影响进行评估和研究的一种方法[1]。LCA方法诞生至今, 经历了近40年的发展, 得到了广泛应用。
作为生命周期评价体系的重要组成部分, 矿产资源耗竭的评价研究, 自始至终备受关注, 也充满争议[2~4]。如何正确、全面地认识和评价矿产资源的耗竭问题, 不仅是LCA研究体系自我发展和完善的需要, 也是科学合理的处理好矿产资源开发、利用与保护的依据。
目前, 我国不可再生资源耗竭性评价方面, 普遍采用已有的金属资源铁或锑当量进行计算。但是对于传统的无机非金属材料如建筑材料而言, 其产品中含有的铁 (锑) 元素很少, 而其他非金属元素 (如硅) 较多。若以该类物质为当量进行LCA评价, 则更能够反映我国非金属不可再生资源耗竭的实际情况, 同时也更加便于理解。因此, 本文拟采用国际上较为通用的不可再生资源耗竭性特征化因子模型, 结合我国近年来不可再生资源消耗情况, 提出适用于建筑材料LCA评价体系中不可再生资源耗竭性影响的当量。
1 硅当量提出的依据及计算方法
1.1 硅当量提出的依据
任何工业化进程的维系, 都必须以相应的自然资源保障为基础。我国95%以上的一次性能源、80%以上的工业原材料和70%以上的农业生产资料均来自矿产资源[5]。尤其是对建筑材料来讲, 其生产几乎完全取材于天然矿物资源。粘土类、长石类和石英类原料的大量使用, 对非金属矿产资源耗竭性的影响远甚于其他材料。因此, 以建筑材料领域为背景开展不可再生资源耗竭性当量研究是合理的。
另外, 典型建材产品的主要成分为Ca、Si、A等元素的化合物[6]。在陶瓷中, 一般硬质瓷含纯粘土物质40%~60%, 长石20%~30%, 石英20%~30%;软质瓷含纯粘土物质20%~40%, 长石30%~60%, 石英20%~40%。对于玻璃行业而言, 最广泛应用的玻璃组成是以Si O2为主要网络形成的硅酸盐玻璃, 超过90%的玻璃制品都属于钠钙硅酸盐系统。常见的硅酸盐玻璃组成中, Si O2含量为69%~75%, Ca O含量为5%~10%, Na2O含量为13%~15%。现代生产的硅酸盐水泥熟料, 各氧化物的波动范围分别为:Ca O 62%~67%, Si O220%~24%, Al2O34%~7%, Fe2O32.5%~6.0%。如表1所示。
由表1可以看出, 水泥、玻璃、陶瓷这3种主要建材产品均含有Si O2, 平均含量也远大于Al2O3、Ca O尤其是Fe2O3 (1%) 等。
基于上述两点原因, 我们提出适用于传统建材领域特征化计算的新当量Si O2当量, 简称硅当量。
1.2 硅当量的计算方法
资源耗竭特征化法 (又称CML法) 是目前应用比较广泛, 并在国际上得到一定认可的一种资源耗竭特征化方法。其雏形来源于荷兰莱顿大学 (Leiden University) 环境科学研究中心 (Center for Environmental Science, CML) 的两位学者Guinée和Heijungs[7]在1995年提出的“资源等价因子”模型。北京工业大学环境协调性材料研究所的狄向华在其博士论文[8]中对该方法进行了还原和推导, 证实了“资源等价因子”的表达式准确无误, 如公式 (1) 所示:
式中, Dr表示资源j的年开采量;R表示资源的储量。
Guinée等根据经验, 建议确定y=1。这样, 式 (1) 就成为式 (2) 的形式, 从而得出了资源的耗竭性特征化因子计算表达式。
再通过与参考资源储采比的比例关系来确定各资源相对于某种资源的耗竭特征化因子, 如公式 (3) 所示, 即可得到各耗竭性资源的当量系数。
以上公式中, Ri表示不可再生资源的储量, Dri表示资源的年开采量, Drref和Rref分别表示参考资源的年开采量和储量。
在资源耗竭特征化方法中, 由于化石燃料的损耗主要是其功能即燃料能含量的减少, 而且燃料的能量是可以互相转换的。因此, 化石燃料的耗竭问题应被定义为能源储量的损耗, 单位采用千克标准煤。尽管二者的定义不同, 但耗竭的特征化方法一致, 因此对于元素和化石能源清单分析的特征化结果都被归为一个类别指标[9]。北京工业大学的高峰博士在其论文中对化石燃料的特征化模型进行了修正, 因此化石能源耗竭特征化因子的计算如公式 (4) 所示:
式中, ADPi, eng表示化石能源i的特征化因子;Dri, eng表示化石能源i的年开采量;ε表示化石能源的折标准煤系数;Ri, eng表示化石能源i的储量;Drref和Rref的意义与公式 (3) 相同。
1.3 硅当量的计算结果
硅资源广泛分散在地壳和矿物中, 没有现成的储量和开采数据可查。文章通过对含硅矿产资源储量、开采、品位和Si O2含量等数据的查阅[10,11] (见表2) , 计算出了Si O2的耗竭性特征化因子。再利用公式 (3) , 得到各耗竭性资源的当量系数, 如表3所示。
2 不同当量评价结果的比较与分析
为比较采用不同当量对环境负荷计算结果产生的影响, 验证硅当量对于传统建筑材料环境负荷评价的合理性, 本文以量大面广且具有典型代表性水泥材料为研究对象。文中所用数据为某日产4500吨熟料的新型干法水泥厂 (A厂) 2007年实际生产数据。生产清单如表4所示。
2.1 硅当量和铁当量的计算结果比较
在对该水泥生产进行特征化计算时, 由于只在不可再生资源消耗 (ADP) 类别中引入硅当量, 因此酸化和温室效应等其他影响并未发生改变;然而, 也正是因为这一新当量的引入, 使得最终的归一化结果发生了根本性的改变。
通过对清单进行计算, 得到了水泥生产的特征化和归一化结果。如表5所示。
根据表中所示数据及相应的图1所示, 可以识别出对环境造成重大影响的部分。从特征化结果来看, 当以铁为当量时, 温室效应 (GWP) 是产生环境影响最大的部分, 这主要由燃料燃烧及石灰石分解所产生的CO2引起, 其次是不可再生资源消耗 (ADP) , 而后依次为人体健康损害、环境酸化及光化学烟雾;当以硅为当量时, 温室效应仍旧是产生环境影响最大的部分, 这与之前的评价结果一致。但不可再生资源的影响明显减小, 下降为原来的110;与温室效应相比, 也仅为GWP的1/20左右。
2.2 环境负荷评价结果分析
由前面的计算结果可知, 与传统结论相比, 采用硅当量进行评价时, 水泥生产5种环境负荷中, 不可再生资源消耗 (ADP) 对环境造成的压力下降了约90% (由5.61E-01降至4.53E-02) 。也就是说, 我国水泥生产对环境产生的主要压力均来自于废气排放所产生的温室效应、酸化效应等等, 而对于地球不可再生资源耗竭性的影响并不大。
表2为我国主要非金属矿产资源的当量系数。系数越大, 表示该种矿产资源越匮乏。以水泥用大理岩、水泥配料用页岩、水泥配料用砂岩为例, 当以硅为当量时, 其当量系数为3.73E-04、1.70E-03和2.38E-03, 表明上述3种资源储量较为丰富;而以铁为当量时, 相应的当量系数分别为4.17、16.6和12.8[8], 表明这几种资源较为匮乏。根据年鉴数据统计, 水泥用大理岩、水泥配料用页岩、水泥配料用砂岩储量在58种主要无机非金属矿物中分别排在13、15和16位, 相对比较丰富。因此, 采用硅当量评价出的不可再生资源耗竭性更加符合实际。
3 结论
通过对无机非金属材料生命周期评价中不可再生资源当量的研究, 得到如下主要结论:
(1) 在对水泥、玻璃、陶瓷等传统无机材料主要原料、产品化学成分进行分析的基础上, 提出了以硅为无机非金属建材产品生命周期评价中不可再生资源消耗影响的当量;
(2) 以硅为当量, 采用国际上较为通用的CML计算模型, 更新了我国主要非金属矿产资源的当量系数;
(3) 比较了采用硅当量和铁当量对于环境负荷的不同影响, 结果表明使用硅当量进行环境负荷评价, ADP比用铁为当量时降低了90%。
参考文献
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[9]高峰.生命周期评价研究及其在中国镁工业中的应用.北京:北京工业大学, 2008
[10]中国矿业年鉴.地震出版社:2006
保温材料防火性 第6篇
因此,如何正确认识和合理使用建筑保温材料、防止建筑物的火灾事故,是我国建筑节能是否能取得显著效果的一个重要因素。
1 保温材料的燃烧性能
保温材料的燃烧性包括保温材料的可燃性、不燃性、燃烧时热释放速率、热释放量、烟密度和烟毒性等。
1.1 可燃性
可燃性指材料遇火或高温作用时,容易引燃起火或微燃,火源消除后仍能继续燃烧的性能。在遇到火源时,保温材料的可燃性直接影响到火势的发展和控制,是其得以安全使用的前提条件,可以通过可燃性试验评定。首先将试样固定好后,沿其垂直轴线倾斜45°将燃烧器水平推进,直至火焰接触试样底部边缘的预先设置点。在火焰接触试样的同一时刻启动计时装置。点着试样后,移开燃烧器。如果点火时间为15 s,总试验时间为20 s,点火时间为30 s,总试验时间60 s。最后,通过火焰尖端是否到达150 mm的刻度线来判定。如果试样未着火就熔化或收缩,在试样点火5 s后,移开燃烧器。调整试样位置,使新的火焰接触点位于上次点火形成的燃烧孔洞的边缘。在上次试样火焰熄灭或未着火后的3~4 s之间重新对试样点火。重复上述操作,直至火焰接触点抵达试样的顶部边缘或从点火开始计时的20 s内火焰传播至距试样底部150 mm刻度线时结束试验。根据火焰尖端达到150 mm处的时间来判定。
1.2 不燃性
不燃性指材料遇火或高温作用时,不起火、不燃烧、不碳化的性能。保温材料的不燃性通过不燃性试验评定。首先将试样架插人炉内规定位置,启动计时器,记录试验过程中炉内温度。如果炉内温度在30 min时达到了最终温度平衡,即可停止试验。如果30 min内未能达到温度平衡,应继续进行试验,同时每隔5 min检查是否达到最终温度平衡,当炉内温度达到最终温度平衡或试验时间达60 min时结束试验。从加热炉内取出试样架,收集试样碎裂或掉落的所有碳化物、灰和其他残屑,同试样一起放入干燥皿中冷却至室温后,称量试样的残留质量。以质量损失、试样持续燃烧的时间和温度变化值作为检验指标。
1.3 热释放速率、点火后600 s内的热释放量和燃烧增长指数
热释放速率、点火后600 s内的热释放量和燃烧增长指数反映了火势发展的程度,若保温材料热释放速率大,热释放量增加,燃烧增长指数提高,火势发展就越快,灭火难度和造成的损失也就越大。这三个参量可以通过单体热值(单位质量的物质燃烧所产生的热量)试验评价。在进行热值试验时,首先将试样安装在小推车上,把排烟管道的体积流速设定为(0.60±0.05) m3/s,并在试验期间保持不变。在测完排烟道的温度和环境温度后,开始计时。在t为120 s时,点燃辅助燃烧器并将丙烷气体的流量调至647 mg/s,在t为300 s时,从丙烷气体从辅助燃烧器切换为主燃烧器,并记录主燃烧器被引燃的时间,观察在1 250 s时的燃烧行为,在t≥1560 s时,停止供气。在试验中要记录下排烟道中透光率、CO2和O2的摩尔分数。
试样的热释放速率
HRR总
HRR总(t)为试样和燃烧器t时刻总放热速率,E为温度298K时,单位基体耗氧的热释放量,V298(t)为排烟道中气体在278 K时的体积流速,为氧气(含水蒸气)在环境温度下的摩尔分数,ϕ(t)为耗氧系数。
试样在点火后600 s内的热释放量:
THR600s为试样在300s≤t≤900s内的总放热量,max.(a和b)两个值的最大值。
燃烧增长率指数:
FIGRA为燃烧增长指数,HRRav(t)为HRR(t)的平均值,max.[a(t)]为a(t)的最大值。
1.4 总热值
总热值指单位质量的材料完全燃烧时,并当燃烧产物中的水分(包括材料中所含的水分变成水蒸气和材料组成中的氢在燃烧后以水蒸气形式存在)都凝结为液态时放出的热量。对于完全燃烧的试样通常采用坩埚法。从检测板中随机截取一定的试样,研磨成细粉,然后和一定量苯甲酸混合(1:1)均匀后放入坩埚中。将点火丝与电极连接,并使点火丝与试样充分接触。在氧弹中加入10 mol蒸馏水(以吸附试验中产生的酸性气体),并充入氧气使内部压力达到3.0~3.5 MPa,然后放入量热器内筒中,同时加入一定量的蒸馏水,使之淹没氧弹。将量热仪内筒放入到外筒中,开启搅拌器和计时器。调节内筒水温,使其与外筒水温一致,每隔1 min记录一次内筒水温,直到10 min内的连续读数偏差不超过0.01 K,将此时的温度作为起始温度Ti。接通电流回路,使样品被点燃,每隔1 min记录一次内筒水温,直到10 min内的连续读数偏差不超过0.01 K,将此时的温度定为最高温度Tm。燃烧的总热值根据下式计算:
PCS为总热值,E为氧弹、量热仪等中充入水的水当量,Ti起始温度,Tm最高温度,b是助燃物燃烧热值的修正值,c为与外部热交换修正值,m为试样质量。
1.5 烟密度
保温材料着火后,会产生一定量的烟气,降低了可视度,给逃生和救助带来很大困难。为了减少烟气的影响,需要在保温材料使用前对燃烧时产生的烟密度进行测定。烟密度指单位空间所含烟气的质量数,反映火灾场景烟气与材料质量关系的参数。试验时,调节燃气(丙烷)压力为276 kPa,将25 mm×25 mm×6 mm的试样放置在试验烟箱中的金属支撑网上,用燃烧器直接点燃试样,通过测量材料燃烧产生的烟气中固体尘埃对光的反射而造成光通量的损失来评价烟密度大小。通常采用最大烟密度值和烟密度等级(用 0~4 min内的产烟量与总的产烟量的比值)来划分材料的等级。
1.6 烟毒性
有机类保温材料着火后,可能会产生一些有毒气体,造成被困人员的伤亡,因此需要对烟气的毒性进行评价。由于材料在充分产烟和无火焰时毒性最大,通常以此条件下的产烟浓度对小鼠进行30 min染毒试验,若小鼠在染毒期内(包括染毒后1 h内)无死亡,则判定该材料在此级别下麻醉性合格;若小鼠在34 min染毒后不死亡及体重无下降或体重虽有下降,但3天内平均体重恢复或超过试验时的平均体重,则判定该材料在此级别下刺激性合格;以麻醉性和刺激性皆合格的最高浓度级别定为该材料产烟毒性危险级别。所需产烟浓度越低的材料产烟毒性危险越高,所需产烟浓度越高的材料产烟毒性危险越低。
根据保温材料上述燃烧性,把保温材料划分为A1、A2、B、C、D、F七级。
2 常用保温材料的防火性
外墙所用的保温材料有EPS(聚苯乙烯泡沫)、XPS(挤塑聚苯乙烯泡沫)、PU(聚氨酯泡沫)、岩(矿)棉板、玻璃棉毡以及超轻的聚苯颗粒保温料浆等。目前国内用量较大的EPS、XPS和PU。
EPS、XPS和PU凭借质量轻、保温和隔热性好的特点,在外墙保温体系得到广泛应用。然而,EPS、XPS用打火机可能较难点燃,但当火源大、温度高或持续作用时,就会产生熔融变形滴落,形成很大的火势,并产生大量烟雾,释放出大量的苯、甲苯、甲醛等有毒气体;同时,板材受热会产生的热熔、变形以及网格布过热会折断,导致表面层破坏,而引燃保温材料,使火灾迅速向大范围蔓延(图1)[1,2]。因此,在美国、英国、德国等禁止使用在高层建筑上,而在我国广泛应用在高层甚至在超高层建筑上,造成了大量火灾的发生。
PU导热性极差,容易造成热量积聚,一旦着火,燃烧速度也非常快,在燃烧时多为不完全燃烧,这种不完全燃烧在火灾中表现为很浓很黑的烟气,包括大量的CO、CO2,并释放出大量的高温和有毒气体如氰化氢、氰化苯。为了提高其防火性,通常加入阻燃剂,延缓火苗的蔓延速度。在国内应用较多的阻燃剂是卤素和磷系阻燃剂,但其沸点不足300 ℃,在燃烧中易挥发,且会形成二恶英、卤化氢等,增加了烟气的毒性。有效的方法是在聚氨酯分子链中引入耐温基团结构,如芳茎聚酯多元醇,利用催化剂使分子链生成聚异氰脲酸酯、聚酰亚胺基、巨聚恶唑酮结构等,通过双组分液料反应交联固化发泡而成的网状结构,不存在阻燃剂挥发、溶出、迁移等问题,遇火时不会产生收缩反应, 同时产生碳化层, 有效地隔绝了氧分的渗透和热量的传递, 从而阻止了火势的蔓延,提高了耐燃性[3]。
酚醛泡沫保温效果良好,导热系数在0.022~0.3之间,透气性也很好,且其耐热性好,大量试验表明,25 mm厚的酚醛泡沫板可经受1 700 ℃的火焰喷射10 min,仅表面略有炭化而不会被烧穿,有效了防止火灾发生和火势蔓延,同时在燃烧时无滴落物、发烟量低,而且几乎不产生一氧化碳等有毒气体。因此,酚醛泡沫板作为目前封闭与控制火势的建筑外墙优秀保温材料,已在国外广泛投入使用。
岩棉板具有很好的防火性能,在国外的应用已非常成熟,但进口岩棉板价格很高(1 700~1 800元/m3),而国产岩棉板抗拉强度低,浸泡吸水量很高,在潮湿状态下强度会大幅下降,保温性能相对较差,很难达到外墙外保温要求。
从上面分析来看,交联固化的聚氨酯泡沫和酚醛泡沫的防火性较好,将会逐渐占领市场,而防火性好的岩棉板随着其生产技术的改进,也会占一定的市场份额。
3 保温材料在施工中的防火措施
据今年3·15晚会报道,国内能够生产防火性达到B级的保温材料厂家很少,而且价格很高。当利用现有的保温材料,同时改善外保温工程的防火性能,阻止火焰蔓延时,必须设置防火隔离带、防火梁和防火分仓等防火构造[4,5,6]。
防火隔离带指能有效阻止外保温系统内火焰蔓延的带形防火构造。防火隔离带宽度一般要大于300 mm,通常沿水平方向通长和交圈设置。当遇到窗洞阻挡时,设置在窗口上方200~400 mm处(图2),且需要在窗四周加挡火梁,增强防火效果。当无窗洞时,可在墙转角处设置纵向的阳角防火隔离带,横向火隔离带接至纵向防火隔离带止。为了减少楼层间遭受火灾时相互影响,可在楼层之间设置防火隔离带,如图3和图4所示。防火隔离带的材料可采用酚醛或岩棉保温板。
挡火梁指能阻止或减缓外部火焰对外保温系统内可燃保温材料攻击的带状防火构造。通常环状设置在门窗洞口的四周、或水平设置在门窗洞口上边缘。当水平设置在门窗洞口上边缘时,应伸出门窗洞口竖向边缘一定的长度。
防火分仓是指用不燃或难燃保温材料将连续可燃保温层分隔成相匀独立的小而体积固定尺寸区域(如图5),可以防止非闭合空腔在火灾发生后产生烟囱效应(为体系中的保温材料的燃烧提供一定氧气,加速火灾蔓延的现象)。因此,防火分仓可防止火焰的直接传播,相当于在每块可燃类保温材料四周设置一条防火隔离带。防火分仓材料可采用保温浆料,同时避免了保温板之间的缝隙出现热桥。采用防火分仓的外墙外保温体系可不另设防火隔离带。
此外,保温材料堆放时,应用不燃材料覆盖,且周围10 m内及上空不能有明火作业。施工时应分区段进行,各区要保持一定的距离,并尽早安排覆盖层(抹面层或界面层)的施工。
4 结 论
建筑火灾的频繁发生引起人们对目前国内建筑保温材料防火性的质疑,造成了生活和工作在使用此类保温材料的建筑中的人群恐慌。因此,正确认识保温材料的防火性能,了解相应的测试方法,和在工程中采取一定的措施提高建筑物的防火性,显得尤为重要。目前,我国对建筑保温材料的防火性主要考虑的是可燃性、不燃性、燃烧时热释放速率、热释放量、烟密度和烟毒性,在这些常用材料中酚醛泡沫是一种很有发展前景的保温材料,当前在工程中可以通过设置防火隔离带、防火梁、防火分仓等措施来提高建筑物的防火性能。
摘要：目前国内火灾频发的原因主要是由于很多建筑保温材料的防火性差,建筑物一旦着火,火势就很难控制。为了正确认识和合理使用保温材料,本文介绍了保温材料主要防火性能和测试方法,分析了常用保温材料的防火性,并提出在现有保温材料的前提下提高建筑防火的措施。
关键词：保温材料,防火性
参考文献
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浅析建筑风水的双刃性 第7篇
1 以现代科学的理论解读风水
风水源于古代确立城市的外部环境和人们选择建筑地点时, 对气候、地质、地貌、生态、景观等建筑哲学环境因素的综合评判。借鉴先祖选地定居的经验, 形成了地相术, 古称勘舆术, 占卜之意。其理论分着眼于山川形胜选择 (形法) 和注重方向及布局 (理法) 两种。在古代, 风水术盛行于全国各地, 成了左右人们衣食住行的一个很重要的因素。风水有人斥为伪科学、迷信, 诚然, 其中不少的问题无法说清, 是一个重要原因。若从当代建筑地理环境理论加以剖析, 可以透过现象, 发现其中合理的内核[2]。
1.1 房屋选址
从选址上看, 风水学总结了农牧社会时期人们择居的经验, 为人们的生产、生活提供了一个理想的环境模式背山面水, “前朱雀、后玄武、左青龙、右白虎”这种较封闭的环境。并认为此地是风水宝地, 是人们生产和生活条件最优越的地方。而且很多的帝王将相的居所和坟墓多居于此。而此地的自然条件是否比其它地方获得更多的利益?首先, 从总的地形起伏看, 此地处于山麓地和坝地, 它被一条山脉 (龙脉) 分支出的两条支脉 (青龙、白虎左右护砂) 左右包围着。其后是高大的山脉 (玄武) , 前有较低矮的案山 (朱雀) , 由于地处于山地阳坡的前方, 光热条件比较好, 而且北方、东北面和西北面均为山地环抱, 对阻挡冬季干寒的西北季风侵入明堂有很大作用, 可较好地防御霜冻的威胁。同时, 朝南的开口让夏季湿热的东南季风顺利进入, 从而带来充足的降水。其次, 土层深厚, 土壤非常肥沃也是特点之一。这里处于山麓堆积地带, 三面环山。流水把山上的表土不断冲到这里堆积下来, 而且在此地的开口前方有小丘, 使从山上冲下来的肥沃土壤不致被冲走。看来风水学所说的风水宝地对于生产活动无疑是有利的。
1.2 风水对于水的说法
水对农业生产和人类生活都是极其重要的。风水术中通常把水比作财气, 所谓有水方有财, 水好则财源滚滚来。同时人们也对水文状况作了一定的吉凶区分。风水学认为, 河道应环抱居住地, 并会给人们带来财气, 通常称为“玉带环腰”。否则, 则认为是不吉利的。实际上, 河水冲积河岸, 使河岩上的泥沙脱离而随水流走, 这过程称为河道侵蚀。河水夹杂的泥沙随水流被带到一定距离, 如果河水的流速降低, 泥沙就沉降到河底, 这个过程称为河道堆积。被侵蚀的河岸就不断向后退, 而堆积的河岩就不断生长, 因此河道是在变动着的, 我们称之为河流搬家。如果居住地被河流环抱着, 则不会被河水侵蚀;反之, 则河水冲刷河岸, 携带走大量的泥沙, 久而久之, 河岸会不断退却, 造成损失。相对说来, 风水模式中的风水宝地是一个冲积平原, 只是范围较小, 河流从上游段带来的物质在这里堆积起来, 形成深厚而肥沃的土壤, 地表九曲回环的水流, 造成得天独厚的农业生产条件。可见风水中关于水的理论并非单纯地考察水, 其中包含着对地表的侵蚀与堆积以及整个自然条件差异性的认识。
1.3 房屋朝向
风水学还对房屋的朝向作了一些阐述。一般规则是坐北朝南, “负阴抱阳”, 很少朝北。我国房屋一般坐北朝南, 是由我国特殊的自然条件决定的。在我国北方冬季寒冷, 北风刺骨, 人们为了防寒, 房屋朝南有利于接受阳光照射。有人对我国北方一些地方的太阳光照和风向进行测定, 确定最佳朝向是东南、南、西南。在南方, 空气湿润, 房屋建造要考虑通风, 因而房屋一般高大, 而且朝南向阳, 夏季南风徐徐吹来, 可以保持房屋干燥。
1.4 风水模式具有良好的避雷作用
风水强调房屋最好坐落在丘陵和山地之前, 并且要求背倚的山丘上应有树木覆盖 (即风水林) 。从避雷角度看, 山丘及其风水林具有很好的消雷作用, 而且风水林恰恰充当了现代避雷针的角色, 从而使建筑处于一个安全的场中, 这样就使房屋免遭雷击。在中国, 现代仍保存下来了许多古代建筑, 这都与这些古代建筑具有良好的抵抗自然灾害的能力有关。
可见, 风水中有的理论有些是与我们的现代科学相符合的, 从而使建筑与环境很好的相容。不过风水学中也有很多的内容是中国古代诸多的巫术观念在建筑科学领域中的一种延伸, 是古代中国人与超自然力之间的一种交往沟通形式, 是有宗教巫术色彩的。
2 风水中超自然的成分
2.1 神秘的“穴”
中国古代风水观念与风水术的本义就是为了寻求一个可以与超自然力沟通的处所, 在这一处所上建造现世之人的住所或谢世之人的墓穴。这一人神交通的结合点, 在中国风水术中被表述为一个经过刻意选择, 井将得到小心保护与供奉的神秘之所, 这就是每一风水格局中具有核心意义的空间点位“穴”。所谓“穴”, 尽管有着种种的神秘内涵, 事实都是由风水师们, 根据一系列“技术”与占卜的手法, 所寻找到的位于风水环境中央的一个空间点位[3]。风水师们还用人体的穴位来譬喻风水之穴:“盖犹人身之穴, 取义至精”, 有如医生对人体穴位, 来不得半点差错一样。宋代苏洵家的墓地选择中, 风水师在选定穴址后, 让人取灯一盏, 放在穴址之上, 四面风来, 灯火纹丝不动。风水师即认定, 此是正穴之所在。对穴的神化, 即是对超自然的神力加以神化的一种。
2.2“气”的问题
气的解释体系较模糊, 有学者认为气是日常现象事物的整体或功能流, 与现象学中的“场所精神”相似。基于风水观念的中国建筑之空间创造中, 最核心的问题是“气”的问题, 所谓:“气乘风则散, 界水则止, 古人聚之使不散故谓之风水”。然而, 这里所说的气, 决不是一般概念中自然意义上的气, 而是某种具有超自然意义的东西谓之“真气”。所以, 所谓风水术即是对神秘的“气”的寻求与经营的巫法术[3]。当风水师们在说:“夫宅者, 乃是阴阳之枢纽, 人伦之轨模”之时, 已经隐涵了这一观念于其中。
2.3 离奇的“凶吉”说法
风水学采用所谓“后天八卦”为基本方位格局, 结合每一住宅的朝向方位, 辨析住宅应属于八封中的哪一卦。再根据所属之卦, 结合居住者的生辰八字、星神命相, 用卦相的变化推算各个不同方位的吉凶祸福。所谓的吉凶祸福, 又是用天干地支配合九宫八卦方位再结合二下四路方位并加临星神, 根据五行相克的原理而确定[3]。人们在房屋营造等活动中, 要推算的所谓“黄道吉日”, 结合不同的生辰时间与八字命相, 依据不同的时间, 居住 (或落葬) 在方位与自己生辰八字相合的阳宅或阴宅之中。否则, 即为不吉。
2.4 活人没有死人重要
中国传统风水观念与风水术, 将关注的目标分为:当世之人居住的阳宅, 与谢世之人落葬的阴宅, 这样两个全然不同的方面上。事实上, 仅从风水著述的名目上就可以看出, 依据已成系统的风水理论对于阴宅空间环境的选择与利用, 不仅早于对阳宅空间环境的选择与利用, 而且至少在风水师看来, 其可能造成的结果对于改变人的命运, 具有更为重要的意义。显然, 在这里风水及风水术对于现世之人及其生存环境的关注, 远不及对于辞世之人的墓穴及其外在环境的重视。其中的原委, 恐怕很难用现代理性的环境观念所能解释[3]。
2.5 病因究从风水起
风水学在对于人体健康的方面也有着一整套的理论。譬如床不能靠窗摆放, 头上不能有吊灯之类的灯具或饰物等等。这些都可以从物理环境与心理环境等科学找出答案。但其中不免有些玄虚的说法。诸如“门的方位会对居住者的长子不利”、“鱼缸里的金鱼应为几条才满足五行的说法”、“饰物的摆放犯了煞’, 从而导致家人的不幸”等等。同时有些人对于这些说法深信不疑, 如果家人身体不适或事业不顺, 就会找来风水先生, 把房屋重新布置一番。
可见, 风水学中有很多的说法是超乎自然的。这些理论主要出于人们对环境的心理需求。风水与“文化心理”结构是同构的, 它主要阐发了原始的趋吉避凶心理。而种种这些, 都是出于人们的主观臆断, 用我们现在的科学还很难解释。但是, 因此就把风水全盘的否定, 也是片面的。
3 建筑风水的发展方向
风水说是古代思想的混合体, 既有古代自然哲学思想的合理成分, 也与巫术迷信的评价体系交织在一起, 具有两面性。鉴于科学性和超自然性, 风水学的发展将何去何从?这个问题已经争论了很久, 至今没有一个让所有人满意的答案。风水学的推崇者总是把风水与数千年的中国文化结合起来, 赋之以科学的内核, 使之成为一套完整的理论;相反, 反对者紧紧抓住风水的超自然性, 试图把风水定格在迷信与伪科学上。
作为中国古代环境评价系统的风水, 尽管它由于解释体系和操作体系的含糊性和巫术化而导致迷信, 但它追求“天人合一”的理想, 承传了东方整体论和自然人文主义的思想, 可以给现代人居环境评价学许多有益的启发。同时, 也要看到风水理论和方法中的诸多缺憾, 反过来说明了人居环境评价学坚持科学精神、走量化、明晰化和实证道路的必要性[4]。我们既应在其有益的智慧中吸收精华, 走科学与人文的结合之路;也应摒弃其中的伪科学成分, 深入讨论中国人居环境吉凶意识形成和发展的历史, 分析风水模式的深层意义由此找出人与环境关系的定性和定量的规律, 从而有益于建筑环境理论及人与自然关系科学研究的发展。
参考文献
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阻氚乳胶材料的阻隔性与成膜性研究 第8篇
关键词：中国实验包层氚系统,丁基胶乳,渗透率,成膜性,吸水性
国际热核实验反应堆(ITER)是由七个国家联合开展的国际合作大科学工程,罗德礼等提出并设计了一套供TBM使用的氚处理系统[1]。从国内外的研究来看,氚的安全释放受到普遍关注,并进行了一些氚安全研究[2,3,4,5]。中国实验包层涉氚系统采用氚多重包容的安全思想,次级包容系统、第三重包容系统某些安全设备和个人安全衣具需采用高分子材料,如手套箱、手套密封垫和氚防护服等。优异的阻隔性能是对涉氚系统用高分子材料的基本要求之一,本方法以氢气为渗透介质测试了几种涂布成型的高分子材料的氢气阻隔性能,并着重研究了丁基胶乳的成膜性能和涂布成型材料吸水性能。
1实验部分
1.1原料
丁基胶乳(IIRL):自制,固含量45%～50%;聚异戊二烯胶乳(IRL):上海瑞洋橡胶化工有限公司;天然胶乳(NRL):泰国泰橡乳胶有限公司;氯丁胶乳(CRL):上海山橡化工有限公司;丁腈胶乳(NBRL):常州灵达化学品有限公司;PVDC胶乳:浙江野风塑胶有限公司;硫黄氧化锌硫化助剂体系:自制;低温快速硫化体系:自制。
1.2片层材料制备工艺过程
(1)涂布成型:将丁基胶乳均匀涂布于调水平的玻璃模具内,室温防尘自然干燥,时间为48h。多次涂布至膜片达到所需厚度。将室温晾干的膜片完整从模具上剥离下来,表面均匀涂抹防粘粉体。样品的厚度依次为0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm,需提供的测试面积为78.4cm2。
(2)程序升温烘干脱水:将涂布晾干的丁基橡胶膜片在烘箱中于60℃烘干72h。将烘干的膜片在流动的清水中沥滤5h,热风吹干表面,再次涂防粘粉体并在60℃烘箱中烘干24h。逐渐升高烘箱温度,最后在90℃下处理5h。
(3)硫化:将含硫化剂的烘干膜片置于烘箱中在硫化定型温度下热空气硫化定型一定时间。冷却并用清水洗净吹干后得硫化橡胶材料。
(4)其它几种胶乳经涂布、晾干、再次涂布、烘干、滤洗、再烘干等步骤制成片材,控制烘干时间和温度以避免热氧老化。
1.3性能测试及表征
(1)采用压差法使用德国Brugger公司的GDP-C透气率测试仪对橡胶片材进行测试,橡胶样品厚度不超过1.2mm,渗透气体为氢气,测试温度为23℃。测试结果具有材料的相对比较意义,为氢气稳定透过时的渗透量(单位为cm3/m2dbar),并已转换为标准状态下的压力(101325Pa)和温度(273.15K)。从测试结果经过计算可获得氢气在材料中的渗透率F(单位为cm3cm /cm2sPa)。
(2)SEM分析:采用英国莱卡公司的S440型立体扫描电子显微镜观察断口形貌,观察前需喷金处理。
(3)经过一定时间后橡胶吸水增重率的计算方法见式(1):
橡胶吸水增重率 = [(m1m0)/m0]100%(1)
式中,m0为起始橡胶膜片的质量,m1为橡胶吸收水分后的质量。
(4)橡胶的热分析采用美国TA仪器公司 的SDT Q600同步热分析仪,氮气氛条件下升温速率10℃/min,测试范围为室温至600℃。
2结果与讨论
2.1几种高分子材料的阻隔性能研究
氢气在高分子材料经过分子形式的吸附、溶解、扩散和解吸等完成渗透过程,渗透率计算方法由下式表示:
F=ql/(p1(p2)=Ql(2)
式中,F是渗透率(cm3[STP-H2](cm(s(1(cm(2(Pa(1);q是渗透通量;l是材料厚度(cm);p1是上流氢气的分压力(Pa);p2是下流氢气的分压力(Pa);Q为渗透速率(cm3/m2daybar)。
根据测试获得的氢气在不同厚度高分材料膜片中的渗透速率Q可计算出氢气的渗透率F,结果见图1。
从图1可以看出,在同一测试条件下,随着厚度的增加,橡胶膜片的氢气渗透速率逐渐降低。
根据各材料不同厚度对应的渗透率来计算出材料平均渗透率,计算结果见表1。
从表1可以明显地看出各种材料氢气的平均渗透率顺序为:FPVDC
丁基橡胶具有密集的侧甲基,限制了聚合物分子的热运动,因而透气率低[6]。丁基橡胶适宜用作氚防护橡胶手套。经过共聚改性的涂布用柔韧型PVDC可以用作防氚服材料。
2.2IIR胶乳的成膜性能研究
2.2.1 脱水工艺对IIR胶乳成膜性能的影响
丁基胶乳在室温干燥和加热烘干去除水分的过程也是分散的胶乳粒子逐渐熔合成为连续相的过程[7,8],胶乳成型过程中必须要除去水分,由于IIR橡胶自身的气密性极好,因此如果脱水烘干升温较快,则内部的水汽被干燥表层封住,可能导致橡胶片材出现气泡或分层现象,如图2所示。
采用缓慢的程序升温过程来除去体系内水分,则可得到较好的橡胶片材,如图3 所示。如果采用低温硫化配方则烘干脱水过程伴随着橡胶硫化。
在胶乳具备良好成膜性能的基础上则可以填加各种功能填料,见图4。从图4可以看出,橡胶与经有机改性的无机填料结合良好,复合材料内几乎没有微孔、裂缝等微观缺陷。
将两次平行实验的IIR胶乳涂布成膜,并进行长时间的程序升温烘干、多次沥滤、再烘干处理,将两个橡胶片材断面做扫描电镜分析,测试结果见图5。
由图5可以看出,按缓慢的程序升温烘干成型的IIR膜片内胶乳微粒原始边界消失,微粒间熔合为一体,缺陷很少。由图3、4、5可知,缓慢的程序升温以去除水分等易挥发物质是必不可少的工艺过程。
2.2.2 硫化体系对IIR胶乳成膜性能的影响
硫黄、氧化锌普通硫化体系的SEM分析见图6。从图可以看出,经过长时间较高温度(>130℃,2h)常压硫化后,橡胶膜片内产生较多的微孔洞缺陷。产生微孔的主要原因是,橡胶虽然经历了长时间的烘干过程,但体系内仍存留着一定的水分,并且在硫化反应过程中可能产生易挥发产物,这些低沸点组分受热膨胀使材料产生微孔,或者低沸点组分富集于两相界面的薄弱部分和其它微孔内部,使原有缺陷进一步扩大。另外,硫化助剂与橡胶基体相容性差、难以较好分散而造成有机-无机相分离也是产生微孔缺陷的重要原因之一。
图7为低温快速硫化体系的扫描电镜图。对比图6和图7可以看出,在相对较低的硫化温度(80～90℃)和较短的硫化时间(30～45min)下,橡胶膜片内部的微孔等缺陷大大降低,硫化助剂与橡胶基体的结合较好,因而其氢气渗透率必然更小,这一点也被后续的实验和测试所证实。
2.3IIR胶乳成型片材的吸水性能研究
将胶乳涂布成型的膜片在清水中长时间沥滤后,橡胶内可溶性物质将被逐渐溶出,这不但有利于橡胶微粒的进一步熔合,而且降低了橡胶膜片在空气中的吸水性,因此沥滤是必不可少的工艺步骤。体系内含有吸水物质对橡胶的影响还表现为橡胶膜片在空气中由于吸水而导致质量增加。将经3h沥滤处理的低温硫化橡胶膜片在80℃下再烘干8h,取出后在空气中称重(不定时),其质量增重率随时间的变化见图8。
由图8可知,沥滤烘干后的膜片在空气中质量会缓慢增加,虽然膜片可能吸附部分空气,但主要原因是沥滤后的膜片仍残留少量的亲水物质,使得膜片吸附了空气中的水分而导致质量增大。
丁基橡胶生胶和胶乳成型硫化胶在氮气条件下的热失重曲线见图9。
从图9可以看出,经历多次沥滤和长时间烘干处理的丁基橡胶硫化胶,在空气中仍具有一定的吸水性和保水性,硫化胶内含有的水分造成硫化胶的失重起始温度远低于生胶。
3结论
(1)氢气渗透性能测试表明,涂布成型的IIR和PVDC膜片具有较好的阻隔性能,可作为氚手套箱橡胶手套和氚防护服的基体材料。
(2)胶乳具备优异成膜性能是制备阻氚渗透材料的基础。采用胶乳涂布法并通过长时间的程序升温干燥、烘干、沥滤、再烘干处理后,可得到粒子熔合完全、内部孔洞缺陷较少,具有良好成膜性的橡胶膜片。不同的硫化体系对橡胶膜片成膜性能也具有重要影响,采用低温快速硫化体系则内部孔洞或两相分离缺陷较少。
(3)胶乳成膜后内部存留着乳化剂等易吸水物质,故需经过沥滤处理,以降低橡胶的吸水性并提高成膜性。随着沥滤次数的增加,低温硫化胶片在空气中的吸水增重率明显降低,但与生胶相比仍具有一定的吸水性。
参考文献
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常用生物黏附性材料的应用分析 第9篇
1 生物黏附制剂的意义
生物黏附制剂是以一种带有黏附性的聚合物为载体, 通过生物黏附作用使得药剂在若干时间内黏附于黏膜上发挥药效的制剂[2], 生物黏附材料的研究直接影响到生物黏附制剂的研究。生物黏附制剂通过延缓药剂在体内的停留时间, 起到缓释作用。其直接与体内黏膜接触, 改善黏膜的吸收效果, 提高药物的疗效。聚合物具有生物黏附性的特点包括具有足够多能形成氢键的基团、表面带负电荷、链具表面张力、分子量大和链具良好的柔韧性, 能使其延伸进入粘液层。黏附过程分为聚合物与黏膜紧密接触, 聚合物链渗入组织表面的缝隙和形成弱化学键而产生黏附三步。生物黏附材料的研究直接影响到生物黏附制剂的研究。
黏附材料和生物黏膜表面糖蛋白的相互作用, 产生生物黏附, 材料和黏膜表面物质的相互扩散, 导致分子之间的相互缠绕产生黏附[3,4]。比较了卡波姆、羧甲基纤维素纳、及羟丙甲纤维素等材料压制成片后的黏附性能, 发现卡波姆黏附力最大, 其次为羧甲基纤维素纳及羟丙甲纤维素[5]。
2 常用生物黏附性材料
2.1 传统生物黏附性材料
2.1.1 纤维素衍生物
纤维素衍生物是以纤维素高分子中的羟基与化学试剂发生酯化或醚化反应后的生成物[6]。按照反应生成物的结构特点可以将纤维素衍生物分为纤维素醚和纤维素酯以及纤维素醚酯三大类。
2.1.2 脱乙酰壳多糖
壳多糖别名壳聚糖, 是在碱性前提下脱乙酰基后经过水解的产物。脱乙酰壳多糖 (chitosan, CS) 是自然界中唯一的阳离子生物多糖, 具有良好的生物相容性、黏附性、降解性、抑菌性和可塑性[7], 可促进伤口愈合和组织再生。
2.1.3 透明质酸
透明质酸又称糖醛酸, D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺组成的双糖单位玻尿酸 (hyaluronan) , 基本结构是由双糖单位D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡糖胺组成的大型多糖类[8]。与其他粘多糖不同, 它不含硫。另外甲壳胺、葡聚糖、海藻酸及其钠盐、黄原胶等天然材料均具有不同程度的黏附力[9,10,11]。
2.1.4 淀粉
淀粉是一种生物降解多聚糖。淀粉分子上羟基、羰基可与粘液的糖蛋白之间以氢键结合而黏附, 它的黏附性较差, 有较强的亲水性, 作为注射型生物黏附性材料有一定的优势[8]。但以牛血清白蛋白为模型物, 分别以淀粉、卡波姆等为黏附材料, 通过喷雾干燥制成微粒, 在体外用极化的细胞评价黏附能力, 结果发现淀粉黏附力较差[12]。
2.1.5 聚丙烯酸类
聚丙烯酸类包括:聚丙烯酸 (polyacrylic acid, PAA) 、聚甲基丙烯酸 (polymethacrylates, PMAA) 及PAA的轻度交联物聚卡波菲 (polycarbophil, PCP) 、卡波姆 (carbomer) 。卡波姆是聚烷基蔗糖或聚烷基季戊四醇与丙烯酸交联聚合物的共聚物, 是合成的高分子量的丙烯酸交联聚合物。其具有受温度影响小, 不受微生物的影响等特性, 且无毒、无刺激性, 应用最广。
2.2 新型生物黏附性材料
新型生物黏附性材料是在传统生物黏附材料的基础上, 通过衍生化、聚合物之间的模板聚合、链接技术、分子印刻技术和巯基化, 可以改善原有材料的黏附性, 使之具有一些新的特性。
2.2.1 巯基化聚合物
巯基化聚合物是近年药剂学家构建的新型聚合物。巯基化聚合物的巯基和黏膜糖蛋白富含半胱氨酸 (Cys) 的子域内的Cys巯基形成二硫键, 黏附性较强, 且内聚性也较好[8]。
2.2.2 卡波姆-巯基乙酸硫代聚合物
卡波姆-巯基乙酸硫代聚合物是是一种可生物降解的聚合物, 其增加了在体内的药效时长, 是一种定位给药的优质黏附材料。巯基通过浓度梯度被动吸收机制促进药剂吸收, 加强药剂在黏膜吸收层的效果, 其缺点是不能克服粘液层快速脱落更替对药剂的停留时长的影响。卡波姆通常用于基本药物溶出速率的控制[9]。卡波姆与其他黏附材料配合时, 体外实验表明细胞可以附着于栓剂的表面上, 但高浓度的卡波姆可防止药物进入细胞[12]。由于卡波姆的黏附力过大导致其损伤黏膜表面, 所以卡波姆适合同其他材料混合使用调整其黏附强度[13]。
3 生物黏附性材料测定
3.1 外评价方法
一般常规的测定方法是通过制作黏附力测定装置测定从黏膜上移开生物黏附剂所需的时间与重量, 即片剂和实验体两者之间的各方面力度影响黏附剂与黏膜之间的黏附作用, 从而测取聚合物的黏附力。
3.2 体内评价方法
黏附剂有其自有的特效, 通过观察药剂在生物体内随胃肠道蠕动而移动的过程.观察体内黏附情况。一般常用的测定方法有:人体药动力学研究法、体内灌流法、γ-闪烁照相法、生理效应法等[14]。如体内灌流法:动物小肠准备6~8 cm, 将小肠两端各套入套管进行灌流, 定期采集流出物, 经定量可测得黏附制剂在动物小肠的停留时间, 从而测定其体内黏附力[15]。
4 生物黏附性材料医药应用
4.1 缓控释制剂
药剂通过体内胃肠道的时间是直接影响到缓控释制剂中药剂的释放效果、吸收效果和生物利用度的主要因素。食物或固体制剂经胃肠道排出体外需要的时长大约在8~12 h, 所以需要研究有效方法使药剂在胃肠道的停留时间加长从而提高药剂的疗效。胃排空是影响胃肠道蠕动循环的重要因素, 而增强药剂在体内的黏附力是延缓药剂胃排空时间最有效的方法。将生物黏附性材料作为缓控释制剂的辅料, 可以有效增加药剂在体内的滞留时间, 从而促进进药物更好的吸收。
4.2 靶向黏附给药系统
靶向黏附给药系统是一种新型的黏附给药系统, 其经过特殊的控释技术使药物到达回盲部后开始崩解释放载体[16], 能让载体在有效时间内黏附于胃肠道表面, 达到定位释药与黏附的目的。靶向黏附制剂的特点是要求药剂准确到达特定部位停留一定的时间, 发挥其应有的药剂效果以达到治疗目的。良好的靶向黏附制剂应该同时具有准确的体内定位、缓释可控性强、毒性小及可生物降解等特点。以中药制剂为例, 对中药粉粹提取制成药物片芯, 利用研发适合此药剂的靶向性包衣材料进行包衣制剂, 其在人体内的定位缓释情况比不做靶向性包衣处理的片芯药效有明显优势。现阶段靶向性黏附制剂对药物疗效有明显的提高, 对药物在体内的释放情况明显可控化, 加大了其在生物制药系统的利用度, 此外一些含有特异性的生物黏附聚合物:外源凝集素、细菌侵入素等通过受体和配体的亲合力黏附到指定的上皮细胞表面, 使其附有靶向黏附的功能, 若将一些生物黏附材料进行创新性的改良亦可达到靶向定位和其具有黏附性效果的目的。
5 总结
影响生物黏附性的因素有聚合物本身、p H、药物本身及生理因素。随着医药制剂的不断发展生物黏附制剂正不断显现出它独特的优势效果, 生物黏附制剂越来越被重视及不断的研究。随着具有各种效果的黏附性材料的发现, 新型的黏附制剂材料将不断得到创新。生物黏附制剂的不断向前发展毫无疑问也将为中药制剂提供宽广的平台。理想的生物黏附材料应具有:优良的生物相溶性、良好的黏附力、无毒、不影响药剂释放效果、具有选择性黏附、定位靶向性及价格低廉的特点, 现阶段生物黏附材料在细胞黏附方向还有值得研究的意义和必要。随着各种黏附材料的出现, 各种研究技术的不断完善和创新, 生物黏附在药剂的制备中将有着重要的意义和发展前景。
摘要：生物黏附性材料的黏附效果直接影响到制剂在体内的释放度效果, 通过对各个种类和特性的生物黏附性材料及生物黏附的机理进行较为系统的分析, 对生物黏附制剂、影响生物黏附性的因素、生物黏附性的测定方式、生物黏附性材料在药剂学上的应用以及对理想生物黏附材料的应用得到一定认识, 甚至探索它们更为广阔的应用前景。
