基于層次分析法的擠塑聚苯板 燃燒性能評(píng)價(jià)體系研究

朱光偉 趙靜波 洪川 馬凱 王鈞楠 王宏輝

摘要：本文在單體燃燒試驗(yàn)方法（SBI）、錐形量熱儀法、極限氧指數(shù)法對(duì)不同密度及不同阻燃劑含量的聚苯乙烯保溫材料燃燒性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了聚苯乙烯保溫材料燃燒性能評(píng)價(jià)體系，并應(yīng)用層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重，對(duì)密度及阻燃劑含量對(duì)其燃燒性能的影響進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)體系對(duì)分析聚苯乙烯保溫材燃燒性能的密度及阻燃劑含量對(duì)其燃燒行為影響具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：層次分析法;聚苯乙烯保溫材料;燃燒性能

隨著建筑墻體保溫材料在建筑熱工節(jié)能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其墻體保溫材料的優(yōu)劣問(wèn)題日漸成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。

目前建筑保溫材料大致有有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料、復(fù)合材料等幾種形式[1]，而有機(jī)保溫材料，具有成本低、保溫效果好、施工簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，是目前建筑外保溫使用的主要方式。聚苯乙烯保溫材料作為有機(jī)保溫材料的一種，因具有導(dǎo)熱系數(shù)小、質(zhì)輕、價(jià)廉、吸水性小、防潮等優(yōu)點(diǎn)，成為墻體主要保溫材料之一。在已建成及目前新建的節(jié)能建筑中，有很大一部分建筑的墻體及屋頂中使用了這種保溫材料。然而，聚苯乙烯保溫材料極易著火且火蔓延速度快，一旦發(fā)生火災(zāi)容易造成較大的財(cái)產(chǎn)損失，具有很高的火災(zāi)危險(xiǎn)性。每年國(guó)內(nèi)外因聚苯乙烯保溫材料火災(zāi)，造成的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，時(shí)有發(fā)生。因此，對(duì)聚苯乙烯材料特別是其燃燒行為進(jìn)行研究顯得尤為重要。

聚苯乙烯保溫材料因其密度系列的不同，阻燃添加劑的添加，對(duì)不同密度材料的燃燒性能勢(shì)必有不同的影響關(guān)系。而阻燃劑在保溫材料中的添加量也并非越多越好，一方面阻燃劑作為聚苯乙烯保溫材料中價(jià)格最高的組分，增加阻燃劑的添加量，必然提高產(chǎn)品的成本，另外，阻燃劑雖能降低聚苯乙烯保溫材料燃燒的風(fēng)險(xiǎn)，但一旦發(fā)生火災(zāi)，阻燃劑添加越多，其產(chǎn)生的煙氣及毒性也越大。目前聚苯乙烯保溫材料燃燒性能的檢測(cè)方法主要為單體燃燒試驗(yàn)方法（SBI）[2]、錐形量熱儀法[3]、極限氧指數(shù)法，對(duì)于不同密度、不同阻燃劑含量的聚苯乙烯材料的燃燒性能評(píng)價(jià)應(yīng)該是一個(gè)綜合、全面的評(píng)價(jià)，不能片面的單從一種方法、一兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)來(lái)對(duì)聚苯乙烯保溫材料的燃燒性能評(píng)價(jià)。本文采用標(biāo)準(zhǔn)層次分析法（AHP）來(lái)構(gòu)建對(duì)聚苯乙烯保溫材料燃燒性能評(píng)價(jià)體系，通過(guò)評(píng)價(jià)燃燒性能的三種試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，對(duì)研究密度和阻燃劑含量對(duì)聚苯乙烯保溫材料燃燒性能行為更加客觀、合理。

一、層次分析法

層次分析法[4]（Analytic Hierarchy Process）是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂（T. L. Saaty）最早提出的一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)的、層次化的決策分析方法，是在對(duì)復(fù)雜決策問(wèn)題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過(guò)程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無(wú)結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問(wèn)題提供簡(jiǎn)便的決策方法，是對(duì)難以完全定量的復(fù)雜系統(tǒng)做出決策的模型和方法。它根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和要達(dá)到的總目標(biāo)，將問(wèn)題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系將因素按不同的層次聚集組合，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，從而最終使問(wèn)題歸結(jié)為最低層（供決策的方案、措施等）相對(duì)于最高層（總目標(biāo)）的相對(duì)重要權(quán)值的確定或相對(duì)優(yōu)劣次序的排定。

（一）評(píng)價(jià)體系建立

目標(biāo)層聚苯乙烯保溫材料燃燒性能評(píng)價(jià)體系，根據(jù)不同燃燒性能試驗(yàn)方法分為單體燃燒、極限氧指數(shù)、熱釋放速率，這三種試驗(yàn)方法作為準(zhǔn)則層一級(jí)指標(biāo)，將細(xì)分燃燒增長(zhǎng)速率指數(shù)、火焰橫向蔓延長(zhǎng)度、600s內(nèi)的總是放熱量、氧指數(shù)、單位面積放熱總量、單位面積前180s熱釋放速率平均值、單位面積前300s熱釋放速率平均值、單位面積熱釋放速率峰值等8個(gè)二級(jí)指標(biāo)[5]，結(jié)合不同類型聚苯乙烯保溫材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)組織專家進(jìn)行評(píng)分，燃燒性能評(píng)價(jià)體系和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

（二）層析分析計(jì)算公式

由于1-9尺度存在著難以確定專家和決策者的真實(shí)感覺(jué)和判斷、不滿足傳遞性原則，容易引起權(quán)重失真等缺陷，已不適用于多個(gè)準(zhǔn)則層[6]，所以本文采用1-1.56尺度，如表2所示。

1.判斷矩陣

比較判斷矩陣 ：A=（aij）nxn，aij>0，aji=aji=1/aij

其中aij為Bi和Bj對(duì)總目標(biāo)層A的影響之比或Ci和Cj對(duì)準(zhǔn)則層B的影響之比。

隨機(jī)地從1，1.5…1.56，1.5-6，1.5-4…1中取值，作為矩陣上三角元素，對(duì)角主元素取1，下三角取對(duì)稱元素的倒數(shù)，得到隨機(jī)互反矩陣。

2.指標(biāo)權(quán)重

目標(biāo)層B對(duì)于總目標(biāo)層A重要性的權(quán)重集（特征向量）為：

指標(biāo)層C對(duì)于準(zhǔn)則層B重要性權(quán)重集（特征向量）為：

指標(biāo)層C相對(duì)于總目標(biāo)的組合權(quán)向量為：

3.一致性檢驗(yàn)

一致性檢驗(yàn)指標(biāo)，其中，為最大特征值，為判斷矩陣的階數(shù)，為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，當(dāng)時(shí)，即認(rèn)為具有滿意的一致性，否則，需要調(diào)整判斷矩陣，使其滿足一致性。

（三）層次分析結(jié)果

按照上述步驟，并應(yīng)用matlab計(jì)算，得到各項(xiàng)指標(biāo)的判斷矩陣和權(quán)重及一致性檢驗(yàn)如下：

二、討論

試樣樣品采用五種相同厚度，不同密度，不同阻燃添加劑含量的擠塑式聚苯乙烯隔熱保溫板[7]，分別記為M01、M02、M03、M04、M05，四種不同樣品的特性為：

試驗(yàn)樣品測(cè)試基本數(shù)據(jù)為：

通過(guò)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系計(jì)算得到試樣M01總評(píng)分為0.901，M02總評(píng)分為2.866， M03總評(píng)分為7.219，M04總評(píng)分為7.377，M05總評(píng)分為8.400，總評(píng)分分值越高阻燃性能越好，通過(guò)比較我們得到，試樣M01、M02、M03密度相同，阻燃劑添加上M01、M02、M03依次遞增，說(shuō)明阻燃劑添加越多阻燃性能也就越好;試樣M03與M04都添加相同含量的阻燃劑，M04密度比M03大，說(shuō)明密度大的阻燃性能越好，MO5密度最小，但阻燃劑添加最多，說(shuō)明阻燃劑含量對(duì)燃燒行為影響比密度本身要大得多。

三、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立了一種層次分析法的聚苯乙烯保溫材料燃燒性能評(píng)價(jià)體系，包含3個(gè)一級(jí)指標(biāo)和8個(gè)二級(jí)指標(biāo)，對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了權(quán)重確認(rèn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)值，邀請(qǐng)專家進(jìn)行打分，通過(guò)計(jì)算對(duì)每種保溫材料進(jìn)行了燃燒性能的量化評(píng)價(jià)，最后的量化總評(píng)分證明密度越大，阻燃劑含量越高，聚苯乙烯保溫材料的燃燒性能也越好，但這兩個(gè)影響因素中，后者的作用要遠(yuǎn)大于前者。

參考文獻(xiàn)：

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[6]朱光偉，吳迪沖 基于層次分析法的供應(yīng)商評(píng)價(jià)模型的研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004，21（4）：90-94.

[7]龔娜.軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料燃燒性能及火災(zāi)危險(xiǎn)性分析[D].西南交通大學(xué)，2011.