室內(nèi)裝飾織物燃燒特性研究

●鄭毛毛,張 平

(武警學(xué)院 研究生隊(duì),河北 廊坊 065000)

0 引言

織物自古就與人類(lèi)的生活息息相關(guān),到了近現(xiàn)代,隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展,室內(nèi)裝飾織物也在人類(lèi)的居室生活中起著越來(lái)越重要的作用,不僅讓人類(lèi)過(guò)得更舒適,也讓室內(nèi)環(huán)境更美觀。任何事物都有兩面性,織物在給人類(lèi)的居室生活帶來(lái)舒適、美觀的同時(shí),也帶來(lái)了潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)性[1]。因而,對(duì)室內(nèi)裝飾織物燃燒特性的研究就顯得至關(guān)重要。以耗氧原理為基礎(chǔ)的錐形量熱儀(CONE)能客觀地評(píng)價(jià)真實(shí)火災(zāi)中材料的燃燒性能,CONE的燃燒環(huán)境極相似于真實(shí)的燃燒環(huán)境,其試驗(yàn)結(jié)果與大型燃燒試驗(yàn)結(jié)果之間存在很好的相關(guān)性,能夠表征出材料的燃燒特性,在材料評(píng)價(jià)、材料設(shè)計(jì)和火災(zāi)預(yù)防等方面具有重要參考價(jià)值[2]。本文利用錐形量熱儀對(duì)帆布、棉麻、泡紗等幾種室內(nèi)裝飾織物在不同熱輻射強(qiáng)度下的點(diǎn)燃時(shí)間、燃燒熱釋放速率、質(zhì)量損失速率和發(fā)煙量等燃燒特性進(jìn)行了研究,并比較了各類(lèi)織物的火災(zāi)危險(xiǎn)性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及樣品制備

實(shí)驗(yàn)儀器為 FTT-Dualcone錐形量熱儀(英國(guó)產(chǎn))。實(shí)驗(yàn)樣品：條絨(TR)、棉麻 (MM)、泡紗 (PS)、滌綸(DL)、帆布(FB)。樣品制備：將各類(lèi)織物裁剪成 100mm×100mm尺寸,厚度取 5mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

錐形量熱法[3]采用耗氧原理[4]測(cè)量材料的熱釋放速率。所謂的耗氧原理就是：材料燃燒時(shí)消耗單位氧氣所釋放的熱量基本相等。這一原理由 Thornton在 1918年發(fā)現(xiàn),并由 Huggett在 1980年通過(guò)應(yīng)用這一原理對(duì)常用易燃聚合物及天然材料進(jìn)行了系統(tǒng)計(jì)算,得到了耗氧燃燒熱(E)的平均值為 13.1 kJ·g-1O2±5%,建筑業(yè)和商業(yè)中普遍使用的大多數(shù)塑料和其他固體材料都遵循這一原理[5]。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,將材料燃燒的所有產(chǎn)物收集起來(lái)并經(jīng)過(guò)一個(gè)排氣管道,氣體經(jīng)過(guò)充分混合后測(cè)出其質(zhì)量流量和組分。測(cè)量時(shí)至少要將 O2的體積分?jǐn)?shù)測(cè)出來(lái),計(jì)算出燃燒過(guò)程中消耗氧氣的質(zhì)量,運(yùn)用耗氧原理,就可以得出材料燃燒過(guò)程中的熱釋放速率,目前的氧分析儀靈敏度已達(dá)到了 2×10-5,對(duì)一般的燃燒過(guò)程,該靈敏度能夠滿(mǎn)足氧濃度測(cè)定準(zhǔn)確度要求[6]。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

使用錐形量熱儀要采用標(biāo)準(zhǔn)方法[7]進(jìn)行操作。點(diǎn)火及觀察實(shí)驗(yàn)時(shí),操作員應(yīng)該看一下指示表上的讀數(shù),確信其值和實(shí)驗(yàn)樣品值一樣,如果看到難以置信的讀數(shù),應(yīng)停止實(shí)驗(yàn)或者重新調(diào)節(jié)承重構(gòu)件,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都需要觀察樣品,操作員應(yīng)該查找：分片下落;滴水;過(guò)度膨脹(樣品不應(yīng)該過(guò)分的膨脹以致污損儀器的金屬部件);碎片爆炸;其他反常的行為。如果觀察到上述現(xiàn)象,應(yīng)當(dāng)正確記錄。在實(shí)驗(yàn)中千萬(wàn)不要吹樣品,這種行為將使熱釋放速率曲線(xiàn)不規(guī)則。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,確保宣布燃燒結(jié)束以后再收集附加兩分鐘的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),繼續(xù)操作分析器 10min,關(guān)泵,關(guān)掉所有的鋼氣瓶。關(guān)掉量熱儀排風(fēng)管,確保所有被測(cè)樣品都已熄滅,這樣就完成了實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理以ASTM E1354/ISO5560為準(zhǔn)繩,大部分?jǐn)?shù)據(jù)是利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)推導(dǎo)直接獲得的,其他各項(xiàng)也都按標(biāo)準(zhǔn)輸入到了測(cè)試文件的目錄中。

1.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

在實(shí)驗(yàn)中,將樣品用鋁箔包裹其背面和側(cè)面以減少質(zhì)量損失。為了保證平表面燃燒,用不銹鋼網(wǎng)柵夾住試樣。實(shí)驗(yàn)時(shí),試樣的背部墊有一種厚13mm,密度為 650kg·m-3熱阻很大的陶瓷纖維毯以保證標(biāo)準(zhǔn)背面熱邊界條件。為了能較好反映實(shí)際火災(zāi)中的熱輻射變化,本文試驗(yàn)采用的熱輻射強(qiáng)度分別為 25、35kW·m-2,對(duì)比幾種樣品的燃燒性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 點(diǎn)燃時(shí)間

點(diǎn)燃時(shí)間(Ignition Time,IT)是指樣品從開(kāi)始受輻射加熱起,到其暴露面上方在電火花作用下出現(xiàn)持續(xù)火焰所經(jīng)歷的時(shí)間。點(diǎn)燃時(shí)間是判斷材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的一個(gè)重要參數(shù)。樣品的點(diǎn)燃時(shí)間越短,就越容易被點(diǎn)燃,火焰也越容易向周?chē)镔|(zhì)擴(kuò)散,火勢(shì)蔓延的速度就越快,因而材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性越大。通過(guò)錐形量熱儀對(duì)幾種材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)得的點(diǎn)火時(shí)間見(jiàn)表 1。從表 1數(shù)據(jù)可以直觀地發(fā)現(xiàn)：輻射強(qiáng)度增大,各個(gè)樣品的點(diǎn)燃時(shí)間明顯減小,說(shuō)明輻射熱強(qiáng)度越高,樣品越容易被點(diǎn)燃。在相同的輻射熱條件下,由于泡紗質(zhì)地疏松,單位面積與氧氣接觸面積較大,點(diǎn)燃時(shí)間最短;帆布結(jié)構(gòu)最為密實(shí),因而在相同輻射熱強(qiáng)度下,其點(diǎn)燃時(shí)間最長(zhǎng);棉麻、條絨、滌綸等材料結(jié)構(gòu)密實(shí)程度相近,點(diǎn)燃時(shí)間相差不多。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品在不同輻射熱強(qiáng)度下的點(diǎn)燃時(shí)間

2.2 熱釋放速率

熱釋放速率(Heat Release Rate,HRR)是指單位時(shí)間內(nèi)材料單位面積燃燒時(shí)所釋放的熱量,它被認(rèn)為是火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中衡量材料火災(zāi)危害程度最重要的參數(shù),是評(píng)價(jià)其燃燒性能的最重要指標(biāo)之一,其重要性在于它控制和影響了其他燃燒性能參數(shù)。錐形量熱儀可給出材料燃燒過(guò)程的 HRR隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化,且實(shí)驗(yàn)中材料的熱釋放速率與實(shí)際房間內(nèi)火災(zāi)過(guò)程中的熱釋放速率有較好的一致性。

熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率是研究熱釋放速率的兩個(gè)重要指標(biāo)。熱釋放速率峰值的大小表征了材料燃燒時(shí)的最大熱釋放程度。平均熱釋放速率的大小則表征了材料燃燒過(guò)程中的平均熱釋放程度。平均熱釋放速率越大,說(shuō)明這種材料燃燒得越猛烈。

表 2列出了各種材料在熱輻射強(qiáng)度為 35kW·m-2和 25kW·m-2時(shí)的燃燒熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率(kW·m-2)。從表 2中的數(shù)據(jù)可以看出：對(duì)于每種實(shí)驗(yàn)材料,通常情況下熱輻射強(qiáng)度越高,其熱釋放速率峰值越大,平均熱釋放速率也越高,反之,熱輻射強(qiáng)度越低,各種材料的熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率也越低。這與理論相符合：當(dāng)熱輻射強(qiáng)度較高時(shí)材料單位時(shí)間內(nèi)接受的輻射熱越多,當(dāng)其開(kāi)始燃燒后,由于外界溫度較高,因而材料與外界進(jìn)行對(duì)流換熱所損失的能量也越少,從而有更多的熱量來(lái)加熱自身,使燃燒速度加快,熱釋放速率峰值也就越高。同時(shí),材料的質(zhì)量一定,完全燃燒后的總釋放熱量也就一定,燃燒越快,其燃燒時(shí)間就越短,平均熱釋放速率就越高。從表 2中可以得到,在熱輻射強(qiáng)度為35kW·m-2時(shí),滌綸材料的熱釋放速率峰值最高,其峰值達(dá)到 143.7kW·m-2,條絨的熱釋放速率峰值最低,其峰值僅為 60.1kW·m-2,帆布、泡紗、棉麻的熱釋放速率峰值依次為：103.5、100.3、90.7kW·m-2。在熱輻射強(qiáng)度為 25kW·m-2時(shí),依然是滌綸材料的熱釋放速率峰值最高,其峰值為 126.3kW·m-2,條絨的熱釋放速率峰值最低,其峰值僅為 58.6kW·m-2,帆布、泡紗、棉麻的熱釋放速率峰值依次為：102.5、100.0、88.5kW·m-2。圖 1與圖 2是在輻射熱強(qiáng)度分別為 35和 25kW·m-2時(shí)5種實(shí)驗(yàn)材料的熱釋放速率對(duì)比圖。

表2 實(shí)驗(yàn)樣品在不同輻射熱強(qiáng)度下的熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率

圖1 材料在熱輻射強(qiáng)度為 35時(shí)的熱釋放速率

圖2 材料在輻射熱強(qiáng)度為 25時(shí)的熱釋放速率

2.3 質(zhì)量損失速率

質(zhì)量損失速率(Mass Loss Rate,MLR)是指材料在燃燒時(shí)質(zhì)量損失的變化速度,它反映樣品在特定實(shí)驗(yàn)熱輻射條件下的熱裂解、揮發(fā)及燃燒程度,是衡量物質(zhì)火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要因素。質(zhì)量損失速率越大,說(shuō)明材料越容易燃燒,這樣的材料在真實(shí)的情況下,其火焰?zhèn)鞑ニ俣纫簿驮娇?火災(zāi)危險(xiǎn)性就越大。在較高的熱輻射強(qiáng)度下,材料發(fā)生燃燒后在單位時(shí)間內(nèi)與外界通過(guò)對(duì)流換熱散失的熱量較少,燃燒放出的熱量更多的用來(lái)加熱自身,使自身燃燒速度加快,質(zhì)量損失速率也就越快,表 3中的數(shù)據(jù)說(shuō)明了這一點(diǎn)。

表3 實(shí)驗(yàn)材料在不同熱輻射強(qiáng)度下的平均質(zhì)量損失速率

一般地,對(duì)于同一種材料,質(zhì)量損失速率越快,熱釋放速率也越快。對(duì)于不同的材料,由于燃燒單位質(zhì)量材料釋放的熱量不同,因此,質(zhì)量損失速率越快,不一定熱釋放速率也越快,表 3給出了實(shí)驗(yàn)中幾種材料的平均質(zhì)量損失速率,結(jié)合表 2中給出的各個(gè)材料的平均熱釋放速率,可以發(fā)現(xiàn),滌綸的平均熱釋放速率高于泡紗的平均熱釋放速率,而泡紗的平均質(zhì)量損失速率高于滌綸的平均質(zhì)量損失速率。

2.4 發(fā)煙量及煙氣毒性

煙氣粒子對(duì)可見(jiàn)光是不透明的,有完全的遮蔽作用。煙氣一般集中在疏散通道的上部空間,導(dǎo)致人員看不清周?chē)沫h(huán)境,辨認(rèn)目標(biāo)和疏散逃生的能力大大降低。據(jù)統(tǒng)計(jì),近年來(lái)建筑火災(zāi)中喪生的人,80%以上是吸入了火場(chǎng)有毒煙氣而死。因而,對(duì)煙氣生成量及煙氣毒性的研究是研究試樣燃燒性能的一個(gè)重要因素。錐形量熱儀通過(guò)比消光面積來(lái)衡量材料的發(fā)煙量。比消光面積是消耗單位質(zhì)量樣品產(chǎn)生的煙氣量,可衡量煙氣的遮光性[8]。表 4給出了 5種實(shí)驗(yàn)材料在輻射熱強(qiáng)度為 25和 35kW·m-2時(shí)的平均比消光面積。

可燃物燃燒釋放出的煙氣導(dǎo)致火場(chǎng)人員窒息和中毒是火災(zāi)致死的主要因素之一。煙氣中的毒氣以CO最為常見(jiàn),當(dāng)空氣中 CO的含量超過(guò)一定量就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害。因此 CO生成率也是衡量材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)。表 5給出了 5種實(shí)驗(yàn)材料在輻射熱強(qiáng)度為 25和 35kW·m-2時(shí)的 CO生成速率的峰值和平均值(kg·kg-1)。從表中可以看出,各種樣品的 CO生成量隨著熱輻射強(qiáng)度升高而變小,僅泡紗材料少有偏差,這是由于在較低的熱輻射強(qiáng)度下,材料燃燒不充分,CO生成量就大,而泡紗則因?yàn)樵谳^高的輻射熱強(qiáng)度條件下燃燒速度過(guò)快,氧氣來(lái)不及供給,材料燃燒不充分,故在較高熱輻射強(qiáng)度下CO生成量大。

表4 實(shí)驗(yàn)材料平均比消光面積

表5 實(shí)驗(yàn)樣品 CO生成量峰值和平均值

3 結(jié)論

利用錐形量熱儀在輻射熱強(qiáng)度為 25和 35kW·m-2的條件下對(duì) 5種實(shí)驗(yàn)材料的燃燒性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析比較了它們的火災(zāi)危險(xiǎn)性,得出了以下結(jié)論：熱輻射強(qiáng)度越高,5種實(shí)驗(yàn)材料的點(diǎn)燃時(shí)間越短,燃燒熱釋放速率越大,質(zhì)量損失速率越大,比消光面積及 CO生成量則因材料而異。在一定的熱輻射強(qiáng)度范圍內(nèi),帆布和條絨隨熱輻射強(qiáng)度的升高,其比消光面積變小,泡紗、棉麻、滌綸的比消光面積則隨熱輻射強(qiáng)度的升高變大;泡紗的 CO生成量隨熱輻射強(qiáng)度的升高而增大,其他材料的CO生成量隨熱輻射強(qiáng)度的升高而減少。

[1]Wong Chelsia Ruth.Contribution of Upholstered Furniture to Residential Fire Fatalities in New Zealand[R].Fire Engineering Research Report,2006：18-19.

[2]王慶國(guó),張軍,張峰.錐形量熱儀的工作原理及應(yīng)用[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2003,(6)：36-39.

[3]BABRAUSKASV.Development of the cone calorimeter— — A bench scale heat release rate apparatus based on oxygen consumption[J].Fire and Materials,1984,8(2)：81-85.

[4]HUGGETT C.Estimation of rate of heat release by means of oxygen consumption measurement[J].Fire and Materials,2000,4(2)：61-66.

[5]康茹,尤杰,乙華,等.室內(nèi)裝修材料的錐形量熱儀的對(duì)比研究[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2006,(5)：17-19.

[6]王許云,張軍,張峰,等.應(yīng)用錐形量熱法評(píng)價(jià)聚合物復(fù)合材料熱釋放速率[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2004,21(3)：162-166.

[7]ISO Standard 5660-1,Heat Release Rate from Building Products(Cone Calorimeter Method)[S].Geneva：The International Organization for Standardization,1993.

[8]ASTM E 1354292,Standard Test Method for Heat and Visible Smoke Release Rates for Materials and Products Using an Oxygen Consumption Calorimeter[S].1993.