幾種常用地毯材料的燃燒性能分析

龍國鋒

（廣東省公安消防總隊東莞支隊，廣東東莞523000）

幾種常用地毯材料的燃燒性能分析

龍國鋒

（廣東省公安消防總隊東莞支隊，廣東東莞523000）

利用氧指數(shù)法、水平垂直燃燒法、錐形量熱儀法對幾種地毯材料的燃燒性能進行了測試。給出了幾種常見地毯材料燃燒所需的氧氣百分?jǐn)?shù)，水平垂直方向的燃燒性能，在不同熱輻射強度下的質(zhì)量損失、熱流量釋放、煙氣釋放、CO的釋放等燃燒特性的測試結(jié)果。綜合評價了材料的燃燒性能以及對消防安全的影響。

地毯材料；燃燒性能；氧指數(shù)法；水平垂直燃燒法；錐形量熱儀法

引言

地毯主要是用棉、麻、毛、絲等天然纖維或化學(xué)纖維合成的原材料，經(jīng)手工或機械工藝編結(jié)、栽絨或紡織制成的。在建筑物內(nèi)部裝修及人們的日常生活中地毯的應(yīng)用十分廣泛，常見敷設(shè)于家庭住宅、酒店賓館、體育館、展覽廳以及車輛、船舶、飛機等的地面。地毯因其具有可燃性，而且在燃燒過程中會產(chǎn)生大熱量，燃燒迅速，會釋放出有毒氣體，給火災(zāi)消防和火災(zāi)現(xiàn)場人員疏散逃生帶來許多問題。研究不同材料地毯的燃燒性能，對室內(nèi)火災(zāi)的預(yù)防和控制有一定的指導(dǎo)意義。本文試運用氧指數(shù)法、水平垂直燃燒法、錐形量熱儀法對幾種常用地毯材料的燃燒特性進行測試。

一、實驗部分

（一）實驗材料

準(zhǔn)備丙綸材料地毯、純毛材料地毯、兩種化纖材料地毯作為研究對象。

規(guī)格要求：

氧指數(shù)實驗試樣尺寸：120mm×6.5mm× 5mm；

水平垂直燃燒實驗試樣尺寸：125mm×13mm ×5mm；

錐形量熱儀試樣尺寸：100mm×100mm× 5mm；

（二）實驗儀器

HC-2型氧指數(shù)測定儀，南京江寧分析儀器廠生產(chǎn)；

C2F-3型水平垂直燃燒測定儀，南京江寧分析儀器廠生產(chǎn)；

錐形量熱儀，英國FTT公司生產(chǎn)。電子天平。

（三）測試方法

1.氧指數(shù)測試方法

運用HC-2型氧指數(shù)測定儀，參照GB/T2406-2008《塑料燃燒性能試驗方法——氧指數(shù)法》，分別對丙綸材料地毯、純毛材料地毯、兩種化纖材料地毯樣品進行實驗。

2.水平垂直燃燒性能測試方法

運用C2F-3型水平垂直燃燒測定儀，參照GB/ T2408-1996《塑料燃燒性能試驗方法——水平燃燒法》和GB/T2408-2008《塑料燃燒性能試驗方法——垂直燃燒法》，分別對丙綸材料地毯、純毛材料地毯、兩種化纖材料地毯樣品進行實驗。

3.錐形量熱儀測試方法

運用錐形量熱儀，參照ISO5660相關(guān)參數(shù)分別對丙綸材料地毯、純毛材料地毯、兩種化纖材料地毯樣品進行測試。以下是測試選擇的ISO5660反映材料特性的重要參數(shù)。

（1）熱釋放速率

熱釋放速率（HRR）是在預(yù)設(shè)的加熱器熱輻射熱流強度下，樣品燃燒后單位面積上釋放熱量的速率，單位為kW/m2。熱釋放速率越大，大量的熱量反饋至樣品表面從而加快其熱解速度，進而產(chǎn)生更多揮發(fā)性可燃物加速火焰?zhèn)鞑?，因此材料的火?zāi)危險性變得越大。

平均熱釋放速率（av-HRR，單位為kW/m2），也是火災(zāi)性能設(shè)計中需要考慮的一個重要參數(shù)。樣品在整個階段的平均熱釋放速率可以用來對樣品在燃燒階段的熱釋放情況做出評估，平均熱釋放速率越大，說明材料燃燒程度越猛烈。

峰值熱釋放速率（Pk-HRR，單位為kW/m2）也是材料的火災(zāi)特性重要參數(shù)之一，峰值熱釋放速率越大，火災(zāi)危險性越大。

（2）質(zhì)量損失速率（MLR）

質(zhì)量損失是可燃物燃燒反應(yīng)的必然結(jié)果，也是衡量可燃物火災(zāi)危險性的重要指標(biāo)。在錐形量熱儀實驗中支撐樣品池的稱量臺，通過采用五點差分法能自動記錄材料燃燒過程中的質(zhì)量損失速率，單位為g/s。結(jié)果顯示，質(zhì)量損失率大的物質(zhì)，在真實火災(zāi)情況中其火焰?zhèn)鞑ニ俣纫脖容^快，其火災(zāi)危險性也就越大。

（3）CO/CO2產(chǎn)率

CO/CO2產(chǎn)率是衡量材料火災(zāi)危險性的重要參數(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計，在建筑火災(zāi)的喪生者中，約80%以上是因為吸入了有毒氣體而致命。現(xiàn)實中火災(zāi)初期產(chǎn)生的有毒氣體也嚴(yán)重影響在場人員的安全撤離和疏散。

（4）生煙速率（SPR）

生煙速率（SPR，SPR=MLR×SEA，單位為m2/ s）是材料每秒時間里產(chǎn)生煙氣的能力。其有助于分析材料在火災(zāi)初發(fā)階段釋放煙氣的濃度是否具有危害性，對于分析火災(zāi)初期釋放的煙濃度是否影響人員的安全疏散具有重要意義。

二、實驗結(jié)果與分析

（一）氧指數(shù)法測定分析結(jié)果

按氧指數(shù)測定方法要求對四種材料進行測試，其氧指數(shù)測試結(jié)果見表1。

由下算式計算氧指數(shù)

表1 氧指數(shù)測試結(jié)果

根據(jù)阻燃性能評價標(biāo)準(zhǔn)：OI＜27%為易燃材料；27%＜OI＜32%為可燃材料；OI＞32%為難燃材料。

由表1可知丙綸地毯氧指數(shù)為20.8%，純毛地毯氧指數(shù)為22.9%，化纖地毯1氧指數(shù)為20.1%，化纖地毯2氧指數(shù)為20.1%，均屬于易燃材料。

（二）水平垂直燃燒法測定分析結(jié)果

按燃燒性能測試方法，分別進行地毯水平燃燒測試和地毯垂直燃燒測試，其測試結(jié)果見表2、表3。

（三）錐形量熱儀法測定分析結(jié)果

將地毯按錐形量熱儀法測試要求加工，制成樣品，用電子天平稱重，然后將其放入錐形量熱儀中進行實驗，其結(jié)果分析如下：

1.相同熱輻射強度下材料燃燒性能的對比

（1）熱釋放速率

表3 地毯垂直燃燒測試結(jié)果

熱量的釋放速率通常被認為是火災(zāi)發(fā)展進程中用來描述材料燃燒性能的最重要參數(shù)，是評價材料燃燒性能的最重要的指標(biāo)之一。錐形量熱儀實驗中地毯材料熱釋放速率與實體房間火災(zāi)特性顯示出較好的一致性。由圖1—3可看出，實驗所選幾種地毯的熱釋放速率隨時間而變化的情況。

圖1 25kW/m2下地毯熱釋放速率—時間關(guān)系圖

圖2 35kW/m2下地毯熱釋放速率－時間關(guān)系圖

圖3 50kW/m2下地毯熱釋放速率—時間關(guān)系圖

由圖1—3可知，火焰開始階段，熱量釋放速度較慢；一段時間后，火焰燃燒加速，釋放出的熱量劇增，直到達到峰值；以后，產(chǎn)生的熱量又隨之下降，火焰也逐漸熄滅。熱釋放速率與火災(zāi)發(fā)展的3個階段的特征對應(yīng)一致。

實驗所選的幾種地毯材料，無論熱輻射強度高低，熱量釋放峰值出現(xiàn)的先后順序是丙綸地毯、化纖地毯2、化纖地毯1，其中純毛地毯的熱量釋放峰值出現(xiàn)順序有所波動；同時，隨著熱輻射強度升高，丙綸地毯、化纖地毯1、化纖地毯2的熱量釋放峰值都增大，其中丙綸地毯的熱量釋放峰值的增大較慢，純毛地毯的熱量釋放峰值有所波動。

此外，平均熱釋放速率也可以用來對材料在整個燃燒過程的熱釋放情況進行評估，這也是火災(zāi)性能測試設(shè)計中通常需要的重要參數(shù)。平均熱釋放速率越大，表明材料燃燒程度越猛烈。

表4 地毯在不同熱輻射強度下的平均熱釋放速率

從表4中可知，輻射強度增強，平均熱釋放速率也隨之增大。其中化纖地毯1有所波動，但總體來說是增大的。

（2）生煙速率

可燃物燃燒過程釋放的有害煙氣通常是導(dǎo)致火場人員窒息、中毒致死的主要因素之一。生煙速率

是火災(zāi)發(fā)展過程中描述材料燃燒性能的1個重要的參數(shù)。

圖4 25kW/m2下地毯生煙速率—時間關(guān)系圖

圖5 35kW/m2下地毯生煙速率—時間關(guān)系圖

圖6 50kW/m2下地毯生煙速率—時間關(guān)系圖

由圖4—6可看出，實驗所選地毯樣品，隨著輻射功率升高，煙氣釋放量峰值出現(xiàn)的順序是丙綸地毯、化纖地毯2、化纖地毯1、純毛地毯，其中純毛地毯的煙氣釋放量峰值順序有所波動。各種地毯樣品的煙氣釋放量峰值在31l/s,比較穩(wěn)定。

（3）CO產(chǎn)率

研究表明，當(dāng)空氣中CO濃度超過5×10-5%，就會對人體產(chǎn)生傷害。因而CO的產(chǎn)率被定為衡量材料火災(zāi)危險性的重要參數(shù)之一。

表5 實驗地毯材料在不同熱輻射強度下的平均CO生成率

由表5可知，隨著熱輻射強度增大，CO的產(chǎn)率總體來說是上升的。說明實驗樣品材料在輻射強度增強下，存在著一定的不充分燃燒，產(chǎn)生的不完全燃燒產(chǎn)物CO的量增加。然而，實際火災(zāi)中多為貧氧環(huán)境，比實驗環(huán)境的氧氣更少，則地毯燃燒時的CO產(chǎn)率可能比實驗測量值更高。

2.不同熱輻射強度下材料燃燒性能的對比

在熱輻射強度25KW/m2、35KW/m2、50KW/m2下，對丙綸地毯、純毛地毯、化纖地毯1和化纖地毯2進行實驗。

（1）熱輻射強度對熱釋放速率的影響

圖7 丙綸地毯熱釋放—時間關(guān)系圖

圖8 純毛地毯熱釋放—時間關(guān)系圖

圖9 化纖地毯1熱釋放—時間關(guān)系圖

圖10 化纖地毯2熱釋放—時間關(guān)系圖

由圖7—10可得，伴隨熱輻射強度的逐漸增大，峰值熱釋放速率同步增大，熱釋放的速率曲線也會產(chǎn)生前移，即材料的點燃時間變短，熱釋放加快，燃燒更猛烈。

（2）熱輻射強度對CO產(chǎn)率的影響

圖11 丙綸地毯CO產(chǎn)率—時間關(guān)系圖

圖12 純毛地毯CO產(chǎn)率—時間關(guān)系圖

圖13 化纖地毯1CO產(chǎn)率—時間關(guān)系圖

圖14 化纖地毯2CO產(chǎn)率—時間關(guān)系圖

由圖11—14可以看出，CO的產(chǎn)率隨著熱輻射強度的增加而變小，而曲線則存在前移的現(xiàn)象，即伴隨熱輻射強度的逐漸增大，點燃時間相應(yīng)減少縮短。

（3）熱輻射強度對質(zhì)量損失速率的影響

圖16 純毛地毯質(zhì)量—時間關(guān)系圖

圖17 化纖地毯1質(zhì)量—時間關(guān)系圖

圖18 化纖地毯2質(zhì)量—時間關(guān)系圖

從圖15—18可以看出，曲線的斜率表示材料質(zhì)量損失的速率，隨著熱輻射強度的增大，曲線的斜率逐漸增大，也就是材料質(zhì)量損失的速率在增大。這是由于熱輻射強度的增大，材料的熱分解速率也同步加快，產(chǎn)生釋放的可燃氣體或揮發(fā)性物質(zhì)較多，同時材料的質(zhì)量也消耗得越快。

三、結(jié)論

本文應(yīng)用氧指數(shù)法、水平垂直燃燒法、錐形量熱儀法3種方法對幾種常用地毯的燃燒性能進行了測試。通過對測試結(jié)果的分析，可以看出這幾種材料的地毯的使用對消防安全有較大的影響：第一，由氧指數(shù)法測出，這幾種地毯都屬于易燃材料，燃燒所需氧氣百分比較少，消防安全性能偏低。第二，由水平垂直燃燒法測出，丙綸地毯燃燒級別屬于FH-3、FV-0，純毛地毯燃燒級別屬于FH-1、FV-0，化纖地毯1燃燒級別屬于FH-3、FV-1，化纖地毯2燃燒級別屬于FH-3、FV-1。這幾種地毯在水平方向放置下，純毛地毯的消防安全性能相對其他幾種來說較高；在垂直方向放置下，即豎直放置下，消防安全性能都偏低，都較易燃燒，而且純毛地毯在燃燒中的滴落物能引燃下面的可燃物。第三，由錐形量熱儀法測出，實驗中的材料大多存在點燃時間較短、燃燒時產(chǎn)生較大的熱量、燃燒時發(fā)煙量偏大等火災(zāi)危險性特征，有較大的火災(zāi)安全隱患。

由以上測試可知，這幾種地毯材料的消防安全性能偏低，加之它們的使用較為普遍，對其進行阻燃處理很有必要。因此，從消防安全的角度考慮，當(dāng)前急需要研究經(jīng)過阻燃處理的地毯材料，并加以生產(chǎn)推廣。

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1673―2391(2015)12―0116―06

2015-10-16 責(zé)任編校：譚立超