疊放層數(shù)對薄型非織造布燃燒性能的影響*

(1. 華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣州,510640；2. 廣州市纖維產(chǎn)品檢測院,廣州,510220)

中國已成為非織造布的生產(chǎn)大國，隨著人均消費量的提高，非織造布的用量也不斷增加，衛(wèi)生用品、擦拭布、內(nèi)墻裝飾、地面覆蓋材料、包裝袋等，與人們的生活息息相關(guān)。但是非織造布產(chǎn)品多數(shù)屬易燃品，潛在的火災(zāi)隱患不得不引起人們的重視。因此，對非織造布的燃燒性能進行正確評價，從而有目的地進行阻燃整理顯得尤為重要。

垂直燃燒法、水平燃燒法、極限氧指數(shù)法等是實驗室常用的燃燒性能表征方法，根據(jù)這些方法可進行小型燃燒試驗，但由于測試條件的局限性，這些方法只能定性地分析燃燒結(jié)果[1-3]。同時，上述方法通常用于比較相同試驗條件下材料的阻燃性能，而無法模擬真實火災(zāi)環(huán)境，因此具有較大的局限性[4]。

目前，研究材料燃燒性能的一種較好的方法是錐形量熱儀(Cone Calorimeter，簡稱CONE)試驗，在試驗中可以由計算機分析得到樣品燃燒過程中釋放熱量、質(zhì)量變化、煙氣速率和組分等與真實火災(zāi)具有良好相關(guān)性的重要信息[3]。CONE是根據(jù)“耗氧原理”設(shè)計的儀器，即樣品受熱燃燒時，會消耗氧氣并釋放熱量，一定質(zhì)量的氧氣對應(yīng)一定的熱量。經(jīng)過長時間的測試和計算，證明耗氧燃燒熱的平均值為13.1 MJ/kg，偏差為5%[5]。所以在試驗中，可通過測定氧氣量的變化來得到材料燃燒過程中的熱釋放速率、煙釋放速率等信息，進而推斷所測樣品的燃燒性能。

錐形量熱儀要求測試樣品至少為3 mm厚，而對于很多薄型織物樣品和非織造布樣品而言，難以達到該要求，只能通過增加樣品層數(shù)的方法來達到試驗的厚度要求，但是厚度對于測試結(jié)果的影響目前尚無系統(tǒng)報道。本文選定40 g/m2的丙綸非織造布為研究對象，以不同層數(shù)的樣品為一組，通過錐形量熱儀，系統(tǒng)研究不同疊放層數(shù)的丙綸非織造布的燃燒性能，初步探討了疊放層數(shù)對薄型織物燃燒性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料與儀器

40 g/m2丙綸非織造布，裁剪試樣400片，每片尺寸均為100 mm×100 mm。分別取5、15、25、35、45片為5個樣品組，每個樣品組含3個平行樣品。在測試樣品盒上端加相同大小的壓力，測得5組樣品的厚度分別為1.10、3.19、5.22、7.49和9.29 mm。

測試儀器為英國FTT公司的錐形量熱儀。

1.2 測試過程

按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1354/ISO 5660，測試不同層數(shù)樣品的燃燒性能。功率為35 kW，燃燒過程中計算機跟蹤各項燃燒參數(shù)。不同層數(shù)的樣品平行測試3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品層數(shù)對樣品熱釋放速率的影響

圖1為不同層數(shù)的樣品燃燒時熱釋放速率(HRR)與時間的關(guān)系。

圖1 不同層數(shù)樣品的熱釋放速率與時間的關(guān)系

對于受到熱輻射的樣品而言，熱輻射導(dǎo)致材料燃燒后其最大熱釋放速率的時間點直接表明了材料受熱發(fā)生燃燒的速度。其熱釋放速率的大小也表示了材料燃燒的劇烈程度[6]。

從圖1可以看出，不同層數(shù)樣品的熱釋放速率與時間之間的變化規(guī)律相似，都是熱輻射到一定時間后織物燃燒并釋放出燃燒熱，達到峰值后迅速下降直至平緩；隨著樣品層數(shù)的增加，燃燒時間增加，燃燒釋放熱量的時間延長，最大熱釋放值增加，且出現(xiàn)最高熱釋放的時間延后。

取圖1中每條曲線的峰值為縱坐標(biāo)，層數(shù)為橫坐標(biāo)作圖，見圖2。由圖2可知，不同層數(shù)樣品的熱釋放速率峰值呈較好的線性增加趨勢，即熱釋放速率的峰值與試樣厚度直接相關(guān)。

取圖1中每條曲線的積分面積(熱釋放總量)為縱坐標(biāo)，層數(shù)為橫坐標(biāo)，結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同層數(shù)樣品的熱釋放速率峰值和厚度的變化

圖3 不同層數(shù)樣品的熱釋放總量

從圖3可看出，不同層數(shù)樣品的熱釋放總量也隨著層數(shù)的增加而增大(<35層)，但是當(dāng)樣品層數(shù)超過35后，熱釋放總量出現(xiàn)迅速增大的現(xiàn)象。表明熱釋放總量除了與樣品層數(shù)(厚度)有關(guān)外，還存在一定的熱累加效應(yīng)，可能與樣品堆積狀態(tài)和放熱過程有關(guān)。

紡織品的質(zhì)量會影響釋放熱量的大小，以熱釋放總量除以不同層數(shù)樣品對應(yīng)的質(zhì)量，結(jié)果如表1所示。

表1 不同層數(shù)樣品的單位質(zhì)量熱釋放總量

從表1可以看出，前4組樣品的單位質(zhì)量熱釋放總量數(shù)值較為接近，而45層一組的數(shù)值明顯大于其他4組，這間接證明了疊放層數(shù)對樣品燃燒過程中熱釋放的影響還存在其他的熱效應(yīng)。

2.2 不同層數(shù)樣品的煙釋放速率

不同層數(shù)樣品的煙釋放速率(RSR)與時間的關(guān)系見圖4。

由圖4可以看出，每條曲線的波動性很大，但總體趨勢都是先增大至峰值，然后下降直至平緩；最大煙釋放速率的時間隨著層數(shù)的增加有所延后。原因是樣品燃燒時為逐層燃燒，層數(shù)較少的樣品在前期燃燒速度較快，燃燒較充分，而層數(shù)多的樣品隨著時間的延長才能得到充分燃燒。所以層數(shù)少的樣品較快達到最大煙釋放速率，隨著層數(shù)的增加時間有所延后。

圖4 不同層數(shù)樣品的煙釋放速率與時間的關(guān)系

取圖4中每條曲線的峰值為縱坐標(biāo)，層數(shù)為橫坐標(biāo)作圖，如圖5所示。

圖5 不同層數(shù)樣品的煙釋放速率峰值

圖5表明，煙釋放速率峰值隨著層數(shù)的增加而增加，但曲線整體呈非線性狀態(tài)，超過35層后曲線增幅較大。

取圖4中每條曲線的積分面積(煙釋放總量)為縱坐標(biāo)，層數(shù)為橫坐標(biāo)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同層數(shù)樣品的煙釋放總量

圖6表明，雖然在25層處曲線下降，但總體來說還是呈增長趨勢的。

2.3 不同層數(shù)樣品的總釋放熱

不同層數(shù)樣品燃燒時的熱釋放總量(THR)與時間的關(guān)系見圖7。

圖7 不同層數(shù)樣品的熱釋放總量與時間的關(guān)系

由圖7可知，隨著樣品層數(shù)的增加，總釋放熱也增加；35層與45層兩條曲線的斜率明顯大于其他幾組，再次證明了總釋放熱除與樣品層數(shù)(厚度)相關(guān)外，還存在一定的熱累加效應(yīng)。

3 結(jié)語

(1)薄型織物的燃燒性能通過熱釋放速率、煙釋放速率等火情參數(shù)來表征，不同層數(shù)樣品的燃燒性能不同，一般呈線性增加趨勢，即隨著層數(shù)的增加，熱釋放速率、煙釋放速率都增加。

(2)樣品疊放層數(shù)增加，則各項燃燒性能參數(shù)隨之增加，并伴隨熱累加效應(yīng)。

(3)對于錐形量熱試驗，薄型織物樣品的測試存在一個最佳的層數(shù)區(qū)間。在本試驗中，15～35層為最佳層數(shù)區(qū)間；若<15層，樣品數(shù)量少而難以進一步分析；若>35層，樣品的燃燒測試結(jié)果不準(zhǔn)確。在15～35層的區(qū)間內(nèi)，各項火情參數(shù)隨著層數(shù)的增加呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，可較好地分析薄型紡織品的燃燒性能。

[1] 宋新平．阻燃紡織品及其性能測試的發(fā)展動態(tài)[J]．北京紡織，2000，21(5)：32-34．

[2] 趙雪，朱平，展義臻．阻燃紡織品的性能測試方法及發(fā)展動態(tài)[J]．染整技術(shù)，2007，29(5)： 38-41．

[3] 康佳，王建明，王曉春．常見織物的燃燒性能[J]．毛紡科技，2010，39 (6)：51-55．

[4] 徐曉楠．新一代評估方法：錐形量熱儀(CONE)法在材料阻燃研究中的應(yīng)用[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，23(1)：19-22．

[5] 張軍，紀(jì)奎江，夏廷致．聚合物燃燒與阻燃技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：9．

[6] 王慶國，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．