防火卷帘将进入全无机纤维时代

 
一、前言

    国民经济持续二十年的高速发展，不仅造就了大批大型高层建筑，而且也给建筑防火技术和防火材料性能提出了新的、更高的要求。

    根据《高规》的规定，为了减少火灾蔓延所造成的损失，在建筑内部应设置2000～4000 m2的防火分区。设置防火分区最简单、最有效的办法是设置防火墙。在一些不便设置防火墙的场合，可用防火卷帘代替防火墙。

    作为代替防火墙的防火卷帘，必须具有良好的防火、耐火、隔热、挡烟、耐压、抗疲劳、抗老化、耐腐蚀、高温强力好和受热不变形等性能。其中，防火、耐火和隔热是不可缺少的基本性能。对此，必须具有科学的、一致的试验标准。按照GB7633《门和卷帘的耐火试验方法》的规定，当采用包括背火面温升在内的各项判定条件判定，其耐火极限不应低于3.00小时；若不以包括背火面温升作为耐火极限的判定条件，而根据该标准中关于“无隔热保护层的铁皮卷帘免测背火面温升”的规定和GB14102《钢质防火卷帘通用技术条件》的规定，则以距背火面一定距离的辐射热强度和帘面是否窜火来作为耐火极限的判定条件。十分明显，上述两个耐火极限判定条件差异很大：依据前者判定的防火卷帘既具有防火又具有隔热的功能，能有效地代替防火墙起到防火分区的分隔作用；依据后者判定的防火卷帘则缺乏必要的隔热功能判定。如果没有有效的隔热功能，防火卷帘的防火性能就无法充分发挥，不能完全代替防火墙的作用。

    为了叙述方便，我们在这里把前者称为特级防火卷帘，把后者称为普通防火卷帘。为了克服有关标准不一致的缺陷，建设部于1999年3月8日对《高规》第5 4 4条进行了修订，规定“在采用防火墙确有困难的场所，可采用防火卷帘作为防火分区分隔。当采用包括背火面温升作为耐火极限判定条件的防火卷帘时，其耐火极限不应小于3.00小时；当采用不包括背火面温升作为耐火极限判定条件的防火卷帘时，其卷帘两侧应设独立的闭式自动喷水系统，系统喷水延续时间不应低于3.00小时。”这次修订对于统一防火卷帘耐火极限判定条件的标准，保证防火卷帘充分发挥防火分区分隔的作用，具有重要的意义。

    就防火卷帘而言，起防火分区分隔作用的主体结构是防火帘面。因此，本文结合《高规》的规定、国内市场情况及新材料、新技术的发展，主要就防火帘面进行讨论。

    二、钢质防火卷帘的主要缺陷

    目前国内市场上的防火卷帘以钢制帘面为主。

    早期的钢质防火卷帘是单板式的，其帘面一般是用0.5～1.5mm厚的薄钢板经剪裁轧制成的带状帘片串接而成。单板式钢质防火卷帘帘面具有结构简单、强度高、抗风压、防盗、塑性好、加工、安装、使用都比较方便等优点，但耐火性能和隔热性能却很差。耐火性能差是因为在高温下钢材强力下降。比如普通低碳钢温度超过350℃，强力开始迅速下降，在500℃时其强力约为常温的1/2，600℃时强力约为常温的1/3[1]。此外，钢材在一定温度和应力下，随时间推移，会发生塑性变形(即徐变)。钢材在低温下就会发生徐变，在高温下徐变明显。如普通低碳钢一般在300～350℃、合金钢在400～450℃时徐变明显，易产生变形，降低了防火性能。钢材隔热性能差是因为钢是热的良导体，导热系数大。根据燃烧理论和热学原理，燃烧、传热和温升是互相联系、互相作用、不可分割的物理现象。由于单板式钢质防火卷帘帘面隔热性能差，当火灾发生时，建筑物内瞬间产生的巨大热量从受火面通过热传导、热辐射、热对流(钢板热变形后)等方式大量地传递到背火面，从而使背火面温度急剧上升。当背火面温度升至一些可燃物的燃点时，防火卷帘的防火性能就大大降低乃至丧失了。

    复合型钢质防火卷帘是目前国内使用较多的防火卷帘。与单板式钢质防火卷帘相比，由于结构的改进，使之除保留单板式钢质防火卷帘的优点外，隔热性能也有明显提高。从帘面结构上讲，复合型钢质防火卷帘帘面是由两层薄钢带中间夹一层无机纤维隔热材料组成的复合夹芯帘片串接而成。目前各厂家使用的无机纤维隔热材料主要有岩棉、矿棉、玻璃棉或硅酸铝纤维(亦称陶瓷纤维)等。由于无机纤维导热系数小(见表1)，因此复合型钢质防火卷帘隔热性能比单板钢质防火卷帘有较大提高。然而，从表1可以看出：(1) 对于岩棉、矿棉和玻璃棉纤维，其最高使用温度均低于国际标准升温曲线1小时的924℃。如果不考虑钢板本身的隔热作用，理论上除非有足够的厚度，否则这三种材料根本不能满足《高规》中关于防火卷帘耐火极限≥3小时的标准。事实上，由于受复合型钢质卷帘帘片结构的限制，我国目前市场上复合型钢质防火卷帘无机纤维层一般不超过20mm且不是连续层，这个厚度远远不能保证防火卷帘耐火极限≥3小时而背火面温升又不≥140℃。(2) 对于硅酸铝纤维(陶瓷纤维)，虽然耐高温达到1200℃以上，但≤20mm的单层厚度也远远不能满足耐火极限≥3小时的条件。所以说复合型钢质防火卷帘虽然比单板式钢质防火卷帘防火隔热性能有明显改善，但仍不能克服单板式钢质防火卷帘的主要缺陷，无法满足《高规》新标准的要求。

表1部分无机纤维隔热材料的热学性能［2］

 岩棉 矿棉 玻璃棉 硅酸铝纤维 
最高使用温度(℃) 810 650 550 1260 
导热系数(W/m.K) 0.03～0.045(常温) 0.03～0.045(常温) 0.041～0.049(70℃) 0.17(800℃) 


    三、无机纤维的防火隔热性能与全无机纤维防火卷帘的防火原理

    使用无机纤维帘面代替钢质帘面的最初想法是为了克服钢质防火卷帘的上述缺陷。表2给出了国内外主要无机纤维纺织材料防火隔热等性能。

［1］抗热传导、辐射、对流性能：“·”表示隔热性能弱，“··”表示 隔热性能一般，“···”表示隔热性能强。
［2］1000℃以上耐高温强力：“无”表示几乎没有耐高温强力，“·”表示耐高 温强力低，“··”表示耐高温强力中，“···”表示耐高温强力高。
［3］比重：“·”表示比重小，“··”表示比重中，“·· ·”表示比重大。
［4］抗折皱性：“·”表示抗折皱性差，“··”表示抗折皱性一般，“· ··”表示抗折皱性好。
［5］耐磨性：“·”表示耐磨性差，“··”表示耐磨性一般，“· · ·”表示耐磨性好。
［6］价格：“·”表示价格便宜，“··”表示价格一般，“·· ·”表示价格贵，“····”表示价格很贵。

    根据热学原理，导热与导温是两个互相联系的物理现象。热的传递将引起物体温度的相应变化。传热过程是一个复杂的物理过程，在一般情况下由传导、对流和辐射三个过程组成。在不同的工况和边际条件下，三个过程对传热贡献的程度各不相同。如果暂时不考虑防烟、耐风压、使用寿命、防盗、装饰等功能，防火卷帘帘面的主要功能是隔断或减少受火面与背火面之间的热传递，以降低或延缓背火面的温升速度。由于辐射热与温度成4次方的指数关系，加之全无机纤维防火卷帘对空气对流的良好阻挡作用，所以在受火面与背火面热的传递方式中，热传导是最主要的传递方式，其次是热辐射，热对流的作用最小。从表1、表2可以看出无机纤维材料绝大多数都能耐1000℃以上的高温(适于做受火面或夹层芯材料)或500～1000℃的中温(适于做背火面材料)，且导热系数都很小，故可有效地阻碍传导热。由此可见，无机纤维防火卷帘防火原理与钢质的相比最大区别在于它不仅可防火而且能隔热，从而可有效地降低背火面温升，起到防火分区分隔的作用。此外，无机纤维材料种类齐全，性能价格差异较大，便于根据防火帘面各个结构的不同功能进行选材与设计，以便在满足《高规》新标准的前提下，选择最佳的价格性能比。

    四、全无机纤维防火卷帘帘面的结构设计与基本特征

    在我国，使用全无机纤维防火卷帘代替钢质防火卷帘的设想是沈阳松辽卷帘门厂的金钟元和陈福国于1993年首先提出的。这个想法由刘学锋进行选材、设计并共同申请了国家专利(专利号为2L 93243368.5)。这是我国第一代全无机纤维防火卷帘。它的诞生，标志着我国防火卷帘的一次重大技术突破。然而限于当时条件，它在材料、结构等方面都存在许多不完善的地方。首先是帘面主体材料，当时选用的是硅酸铝纤维(即陶瓷纤维)布。由于硅酸铝纤维可纺性较差，为了便于纺织生产，在纺纱时必须加一定的有机纤维，如粘胶纤维、涤纶纤维等，使最终的硅酸铝纤维布中含15%左右的有机纤维成份。这些有机纤维在400℃左右的温度下要氧化并瞬间燃烧，会产生烟雾并极有可能起明火，虽然无机纤维燃烧后的硅酸铝纤维 布有良好的耐高温性能，但这种瞬间燃烧现象(被称为耐火但不防火)，使其被排除在不燃材料大家庭之外。作为非不燃材料，显然是防火卷帘帘面材料所不能允许的。因为它至少有四个致命缺陷：(1) 瞬间燃烧可能引燃别的物质，不利于防火；(2) 燃烧后布面空隙增加，热对流增加，不利于隔热；(3) 烧掉有机纤维后布的强力大大下降，抗风压性能减弱；(4) 燃烧后布面孔隙增加，降低了帘面挡烟性能。此外，诸如抗老化性能、抗疲劳性能、高温强力、防化学腐蚀性能及耐高温缝纫线等问题，第一代全无机防火卷帘设计时都未能解决。

    经过多年的研究，我们现在已经圆满解决了第一代全无机纤维防火卷帘帘面材料耐火但不防火的问题，开发出既耐火又防火、价格较低、防烟性能、抗老化、抗疲劳、高温强力、耐化学腐蚀性能都十分理想，具有国际先进水平的英特莱防火耐火布系列产品。它是在耐火纤维布基础上涂一层特殊的织物耐火涂料。这种特殊涂料不仅能避免火苗产生，而且它充满布面空隙并在高温下体积急剧膨胀，增加了帘面的厚度，大大减少了热对流，一定程度上了降低了热传导与热辐射，提高了布的高温强力、尺寸稳定性、抗折皱性和抗疲劳性。在主要材料突破的基础上，我们与清华大学、中国纺织科学研究院合作，运用新型软件设计了第二代全耐火纤维复合防火隔热卷帘，即全无机纤维特级防火卷帘(专利号为：2L 00 2 34256.1)，从根本上克服了第一代全无机纤维防火卷帘的缺陷。数十次试验表明，全无机纤维特级防火卷帘完全能达到《高规》第5 4 4条新标准的规定，而不需水幕保护。

    全无机纤维特级防火卷帘帘面，基本结构为双轨双帘，两个帘面之间设有50～400mm的空气层，以便充分利用空气良好的隔热性能，减少材料，降低成本。每幅帘面由三层基本结构组成：受火层面采用英特莱防火耐火布，背火层面采用防热辐射布或其它耐高温布，中间隔热层选用经特殊处理的增强型硅酸铝耐火纤维毯。

    在全无机纤维特级防火卷帘设计中，受火面材料选择是关键。从表2可知，英特莱防火耐火布不仅能承受GB9978《建筑构件耐火试验方法》规定的耐火极限4小时炉内1163℃的高温，而且价格远比其它耐1100℃以上的材料要低，其隔热性能和耐高温性能十分优良，重量较轻，耐磨性与抗折皱性都较好，是理想的受火面材料。能起到防火、耐火、隔热、挡烟及固定帘芯、增强帘芯强力的作用。

    防热辐射布是由经过特殊处理的无碱玻纤布和铝箔复合而成，它不仅具有强力好、重量轻、化学性能稳定、导热系数小、价格低等优点，而且更重要的是它对热辐射和热对流具有非常好的隔断作用，是理想的背火面材料。

    在充分考虑了受火面耐火、增强、固定作用及背火面热辐射和热对流功能后，减少热传导就成为主要矛盾。在工况、边际条件一定的情况下，导热量与材料的导热系数成正比，与厚度成反比。为了提高无机纤维帘面隔热性能，必须选择导热系数小的材料并增加隔热层厚度。为此，我们选择了导热系数极小且价格便宜的增强型硅酸铝纤维毯作为帘芯。和普通硅酸铝纤维毯相比，它不仅保留了耐火、隔热性能好、重量轻、手感柔软、成本低的优点，而且抗拉强度相对较高，适于反复卷绕。

    目前，全无机特级防火卷帘已逐渐得到许多厂家的认可。去年底以来，数十家工厂选用英特莱全无机纤维特级防火卷帘，都通过了国家检验并大批量投入市场。这种发展趋势表明：国家标准的提高推动了无机纤维材料在防火卷帘上的应用，新材料技术的突破保证了国家新标准的贯彻实施。因此，我们认为，全无机纤维防火卷帘将进一步代替钢质防火卷帘，使我国防火卷帘市场将进入全无机纤维时代。

    和钢质防火卷帘相比，全无机特级防火卷帘具有下列优点：

    ——适应《高规》新标准，不需加水幕保护，耐火极限≥4小时，结构完好无损，背火面温升≤140℃；
    ——挡烟性能好；
    ——抗锈蚀、耐酸碱、不老化；
    ——重量轻；
    ——大火不变形；
    ——火灾时易逃生；
    ——结构简单，安装使用方便；
    ——与必须加水幕保护才能符合《高规》新标准的单板或复合式钢质防火卷帘相比，价格较低。

    与第一代无机纤维防火卷帘相比，全无机纤维特级防火卷帘具有下列优点：
    ——防火、隔热性能大大改善；
    ——挡烟性能明显提高；
    ——抗疲劳性能提高，便于长期反复使用；
    ——高温强力提高。

    除了适应测背温条件下的全无机纤维特级防火卷帘外，为了满足建筑市场的不同需要，我们还设计了一种适应测辐射条件下的新型全无机纤维防火卷帘(专利号2L 00 2 38184.2)。它的主体材料结构仅由一层2mm厚的英特莱防火耐火布组成，耐火极限≥4小时而不丧失隔热性和完整性，辐射值<1 05W/cm2，结构简单、体积小，重量仅为钢质的十分之一，建筑物不需预处理，卷轴跨度可达20m以上，性能好，价格非常低。因此，它是用于代替测热辐射条件下的普通单板式或复合型钢质防火卷帘的升级换代产品。

    五、全无机纤维防火卷帘设计中的主要问题

    有关文献[3]已经比较详细地介绍了防火卷帘在机械质量、安装调试和使用管理上的常见问题。这里仅就无机防火卷帘设计中存在的主要问题介绍如下：

1 选材问题

1 1受火面材料：根据国际升温曲线，耐火极限≥3小时，受火面材料安全使用温度应达到1100℃才能保证使用的安全性，但国内一些厂家选用耐高温低于1000℃的普通玻璃纤维布、石棉布、高硅氧布，甚至具有耐火不防火缺陷的硅酸铝纤维布做受火面，这种情况是令人担忧的。

1 2隔热层材料：有的企业选用石棉布、玻纤布或玻璃棉做隔热材料又没有设计足够的厚度，这种情况如果遇到大火是比较危险的。 

1 3防热辐射层：防热辐射布并不是必须选用的材料，但如果不用的话，必须相应增加隔热层厚度及空气层厚度。

1 4饰面材料：一般的阻燃布(棉或化纤)不仅不能防火，而且耐侯性(或抗老化寿命)仅有5～7年。普通的玻纤布不仅染色装饰效果较差，不耐磨，使用寿命短，而且纱线光滑易脱边，不易加工。使用经过特殊涂层处理的玻纤涂层细布可有效地解决上述问题。

1 5高温缝纫线：一些企业选用普通的或中温缝纫线，这是不可取的。应选用耐高温的缝纫线缝制才能保证帘面质量、充分发挥防火隔热性能。

1 6增强钢丝绳：一些企业选用普通的钢丝绳，事实上它们在空气中将逐渐锈蚀而影响帘面的使用寿命。采用耐高温不锈钢丝能解决这个问题。

2 设计问题

2 1帘面厚度：如果采用增强硅酸铝纤维毯做隔热层，理论计算帘面厚度应设计10～20mm为宜，其厚度视空气夹层厚度而定。

2 2薄钢带间距：为了增加帘面抗风压能力并提高帘面尺寸稳定性，帘面横向应设置薄钢带，其纵向间距在300～600mm之间为宜。小间隙可以有效地防止帘面卷绕时因内外径差异所产生的内层起皱现象。

2 3不锈钢丝绳直径与间距：为了增加帘面纵向强力和减少意外伸长，帘面纵向应间隔设计不锈钢丝绳。对于高度为5～6m的帘面，不锈钢丝绳直径选0.2mm即可。若高度增加，不锈钢丝绳直径要相应增加。不锈钢丝绳间隔一般以布幅宽度为准，但最宽不宜超过1500mm。

2 4抗负压设计：由于火灾时产生负压，加之无机纤维材料缺乏必要的钢性，使全无机防火卷帘遇火灾时因负压产生帘面内凹，从而造成帘面从导轨中滑落的现象。在帘面增强钢带位于导轨内的两端部位增加“T”形结构设计可有效地解决这个问题。

3 制造问题

... 国内一些厂家在检验时能选用合适的材料和正确的设计，一旦检验通过，生产中却选用一些便宜的替代材料或者减少材料使用厚度。这种做法无论是对社会和企业的信誉都是不可取的。

4 存在缺陷

4 1目前全无机纤维防火卷帘缺乏有效地防盗功能。

4 2双帘双轨结构比较厚，且机械传动部分成本较高。

    以上两个问题是进一步设计研究中需要从技术上解决的问题。

    六、结语

    《高规》第5 4 4条的修改适应了经济发展对提高防火卷帘性能的要求，新材料技术进步为《高规》新标准的实施提供了技术保障和材料支持。

    由于钢质防火卷帘先天性能不足，如果不加水幕便不能适应《高规》新标准的规定。无机纤维材料具有优良的耐高温特性和极低的导热系数，作为新标准下防火卷帘的帘面材料，具有钢质帘面无可比拟的优良性能。因此，我们认为，防火卷帘将从钢质进入全无机纤维时代。无机纤维材料种类繁多，性能价格各异，在防火卷帘设计和选材上应特别注意弄清各种无机纤维材料防火耐火性能并适当选择，以保证防火卷帘的防火使用性能并降低生产成本。

参考文献：
［1］《建筑消防百问》，王学谦等主编，中国建筑工业出版社2000年6月版。
［2］《绝热材料与绝热工程实用手册》，张德信主编，中国建材工业出版社1998年7月版。
［3］《浅谈防火卷帘及其工程应用》，梁奇等，《消防技术与产品信息》2000年第11期。