基于錐形量熱儀試驗(yàn)的典型線束包覆物燃燒特性研究*

崔杰　毛亞岐　吳剛　居曉宇　楊立中（.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 3006；.安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 300）

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基于錐形量熱儀試驗(yàn)的典型線束包覆物燃燒特性研究*

崔杰1毛亞岐2吳剛2居曉宇1楊立中1
（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026；2.安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230022）

【摘要】為了研究汽車典型線束包覆物的火災(zāi)危險(xiǎn)性，采用ISO 5660錐形量熱儀對(duì)2種原材料PA66、PA6以及3種典型線束包覆物成品波紋管（PP）、扎帶（PA6）、熱縮管（交聯(lián)聚烯烴）在不同輻射通量密度下進(jìn)行了輻射引燃試驗(yàn)，測得點(diǎn)燃時(shí)間和熱釋放速率等參數(shù)，并利用不同輻射條件下的點(diǎn)燃時(shí)間推算出它們的臨界輻射通量密度。對(duì)5種材料火災(zāi)增長指數(shù)和火災(zāi)性能指數(shù)等多種評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在這5種試驗(yàn)樣品中，危險(xiǎn)性最高的為波紋管（PP），危險(xiǎn)性最低的為熱縮管（交聯(lián)聚烯烴）。

主題詞：線束包覆物錐形量熱儀火災(zāi)特性參數(shù)熱釋放速率

1　　引言

根據(jù)我國消防部門的統(tǒng)計(jì)［1，2］，近10年汽車火災(zāi)的首要原因是電氣系統(tǒng)故障（占汽車火災(zāi)總數(shù)的44%），主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙及排氣管周圍溫度過高，導(dǎo)致附近線束包覆物及管路熔融自燃引起的。目前，很多國家已經(jīng)開展了對(duì)汽車火災(zāi)燃燒特性的研究，美國、歐盟相繼出臺(tái)了針對(duì)汽車火災(zāi)安全的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)，嚴(yán)格規(guī)定汽車各系統(tǒng)的火災(zāi)安全標(biāo)準(zhǔn)［3］。我國關(guān)于汽車火災(zāi)的研究還是空白，只是對(duì)汽車內(nèi)部裝飾材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行了研究。1987年我國出臺(tái)了最早的材料燃燒測試標(biāo)準(zhǔn)GB 8410-1987《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》，并已經(jīng)過多次修訂，主要測試標(biāo)準(zhǔn)包括材料最大水平燃燒速度、內(nèi)飾材料的氧指數(shù)、塑料類內(nèi)飾材料煙密度等級(jí)等［4］。但我國有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部材料的燃燒特性參數(shù)還有待深入研究，同時(shí)也缺乏相應(yīng)的汽車材料火災(zāi)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。

本文利用錐形量熱儀對(duì)不同原材料的線束包覆物進(jìn)行了測試，判斷出燃燒難易程度及相應(yīng)的火災(zāi)危險(xiǎn)性，為相應(yīng)汽車材料火災(zāi)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了參考。

2　　試驗(yàn)系統(tǒng)

本文中的試驗(yàn)樣品均為汽車上的典型材料，具體參數(shù)見表1。在錐形量熱儀試驗(yàn)中，將5種線束包覆物材料用錫箔紙包裹，僅暴露其上表面，置于樣品架內(nèi)，如圖1所示。定義點(diǎn)燃時(shí)間為試驗(yàn)材料從暴露于輻射源下至表面有明顯發(fā)光火焰的時(shí)間［5］，設(shè)定臨界點(diǎn)燃時(shí)間為600 s，即點(diǎn)燃時(shí)間超過600 s則認(rèn)為不燃，此時(shí)輻射通量密度小于臨界輻射通量密度。在整個(gè)試驗(yàn)過程中輻射通量密度有25 kW∕m2、30 kW∕m2、35 kW∕m2、40 kW∕m2、45 kW∕m2，在每組輻射通量密度下進(jìn)行3次試驗(yàn)，點(diǎn)燃時(shí)間取平均值。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

錐型量熱儀試驗(yàn)按照ISO 5660的要求進(jìn)行，燃燒過程如圖2所示。

3.1單位面積熱釋放速率

單位面積熱釋放速率（heat release rate，HRR）指單位面積材料燃燒在單位時(shí)間內(nèi)所釋放的熱量［6］，是衡量材料綜合火災(zāi)性能及潛在火災(zāi)危險(xiǎn)性的一個(gè)重要參數(shù)，同時(shí)也控制和影響其他燃燒性能參數(shù)。一般來說，在小比例火災(zāi)中，HRR越高、點(diǎn)燃時(shí)間越短、燃燒速度越快的火災(zāi)，其危險(xiǎn)性就越大。

圖3給出了在輻射通量密度為30 kW∕m2時(shí)各樣品的HRR隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線。以PA66原材料為例：樣品暴露于強(qiáng)輻射下，導(dǎo)致其能量不斷積聚，從而引燃，出現(xiàn)第1個(gè)峰值；隨后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的階段，此時(shí)HRR沒有增加，是因?yàn)椴牧献枞紕┑挠行ПＷo(hù)，其形成一個(gè)絕緣炭層，阻礙熱量向內(nèi)傳導(dǎo)；而第2個(gè)峰值的出現(xiàn)則是由于熱量不斷積聚導(dǎo)致保護(hù)層逐漸瓦解，材料快速燃燒［7，8］。由圖3可知，在相同輻射條件下，扎帶HRR最大，熱縮管HRR較小，基本處于弱勢穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。不同材料因其材質(zhì)及添加劑的不同，會(huì)呈現(xiàn)不同的熱物反應(yīng)，有的材料在點(diǎn)燃之前會(huì)出現(xiàn)略微的膨脹，從而導(dǎo)致樣品表面到輻射源的距離減少，輻射通量密度相對(duì)增大，物質(zhì)分解加速，從而點(diǎn)燃時(shí)間相對(duì)縮短。通過對(duì)比PA6的原材料與其制成的扎帶可以看出，在產(chǎn)品制造過程中，由于有添加劑的作用，相同輻射條件下扎帶的點(diǎn)燃時(shí)間更長，但其HRR也更大。因此，在制造過程中應(yīng)選擇合適的添加劑以提高材料的阻燃性能。

表2給出了各樣品在輻射通量密度為30 kW∕m2條件下的點(diǎn)燃時(shí)間（time to ignition，TTI）、單位面積熱釋放總量（total heat release，THR）和單位面積最大熱釋放速率（peak heat release rate，PHRR）。

表2　錐形量熱儀試驗(yàn)結(jié)果（輻射通量密度為30 kW/m2）

3.2單位面積熱釋放總量

圖4顯示了5種典型線束包覆物的THR，THR反映的是單位面積的材料在獨(dú)立于外部條件（如通風(fēng)條件及材料破損程度等）下所釋放的內(nèi)部能量，THR曲線的梯度表示火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?］。從圖上可以看出，扎帶的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?、火?zāi)危險(xiǎn)性最大，熱縮管的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸盥⒒馂?zāi)危險(xiǎn)性最低。

3.3質(zhì)量損失

圖5顯示了5種典型線束包覆物材料在輻射通量密度為30 kW∕m2時(shí)其質(zhì)量隨時(shí)間的變化過程。在燃燒過程中，部分材料的阻燃劑受熱膨脹形成保護(hù)層，阻礙了傳熱與傳質(zhì)的發(fā)生，此時(shí)材料質(zhì)量損失較小。該保護(hù)層可阻礙氧氣擴(kuò)散到基質(zhì)從而延緩其燃燒，同時(shí)可降低蒸發(fā)率，但隨著輻射時(shí)間的增加，該保護(hù)層逐漸瓦解，質(zhì)量損失加劇，此時(shí)對(duì)應(yīng)圖5中曲線上的各個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由圖5可知，波紋管與扎帶質(zhì)量損失較快，而PA66原材料則相對(duì)緩慢，由于保護(hù)層的存在，前200 s內(nèi)其質(zhì)量損失只有10%左右，燃燒一段時(shí)間后質(zhì)量才開始急劇下降。

3.4火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

HRR及THR是衡量火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)，但其只能反映材料一方面的特性，因此應(yīng)用單一方法可能造成評(píng)價(jià)結(jié)果的不一致。為了使評(píng)價(jià)結(jié)果更具全面性，引入火災(zāi)性能指數(shù)和火災(zāi)增長指數(shù)［10］?；馂?zāi)性能指數(shù)FPI 為TTI同PHRR的比值，即FPI=TTI∕PHRR。火災(zāi)增長指數(shù)FGI為材料PHRR同到達(dá)最大熱釋放速率時(shí)間（time to peak，TTP）的比值，即FGI=PHRR/TTP。FPI和FGI可以直接反應(yīng)樣品的安全等級(jí)，較高安全等級(jí)的材料需同時(shí)具備較高的FPI和較低的FGI［11，12］。圖6顯示了這5種典型線束包覆物的FPI和FGI，熱縮管有最高的FPI和最低的FGI，因而具有較高的安全等級(jí)。由圖6可知，5種線束包覆物安全等級(jí)由高到低依次為熱縮管、PA66原材料、PA6原材料、扎帶、波紋管。

另一種火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)判方法是通過比較THR與1∕FPI之間的關(guān)系，從而判斷火災(zāi)類型［13］。如圖7所示，縱坐標(biāo)越大表明材料燃燒越持久，橫坐標(biāo)越大表明材料火勢增長越快。由圖7可知，這5種材料發(fā)生火災(zāi)時(shí)呈現(xiàn)不同的火災(zāi)特性，PA66和PA6發(fā)生著火時(shí)其持續(xù)時(shí)間持久但火勢增長較慢，波紋管發(fā)生火災(zāi)時(shí)其火勢增長較快但持續(xù)時(shí)間短。

3.5臨界輻射通量密度

臨界輻射通量密度是指材料能夠被引燃所需要的最小輻射通量密度。Mikkola和Wichman［14］根據(jù)固體可燃物受到外界熱輻射時(shí)內(nèi)部熱傳導(dǎo)狀況的不同，提出了熱厚型輻射點(diǎn)燃模型。Delichatsios［15］在此基礎(chǔ)上，根據(jù)外加輻射通量密度的大小對(duì)模型進(jìn)行修正，提出了修正模型：

式中，tig為點(diǎn)燃時(shí)間；κ為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為材料密度；c為比熱容；q0為初始外部輻射通量密度；qcr為材料臨界輻射通量密度；Tig和T0分別為材料點(diǎn)燃溫度和環(huán)境溫度。

由式（1）可以看出，點(diǎn)燃時(shí)間的均方根倒數(shù)同外加輻射通量密度呈線性關(guān)系，因此測得5種典型線束包覆物材料在輻射通量密度為25 kW∕m2、30 kW∕m2、35 kW∕m2、40 kW∕m2、45 kW∕m2條件下的點(diǎn)燃時(shí)間，如表3所示，隨著輻射通量密度的增加，點(diǎn)燃時(shí)間縮短。將點(diǎn)燃時(shí)間的均方根倒數(shù)和輻射通量密度作圖并對(duì)其進(jìn)行線性擬合如圖8所示。

圖8中5條擬合直線的表達(dá)式分別為：

表3　　不同輻射通量密度條件下線束包覆物的平均點(diǎn)燃時(shí)間

由式（2）～式（6）可以得到PA66原材料和PA6原材料以及波紋管、扎帶、熱縮管的臨界輻射通量密度分別為8.11 kW∕m2、8.25 kW∕m2、6.48 kW∕m2、12.93 kW∕m2和8.93 kW∕m2，也就是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下輻射時(shí)間無限長所需要的能夠點(diǎn)燃材料的最小輻射通量密度。臨界輻射通量密度的大小表示材料在火災(zāi)中受輻射熱流的影響程度，臨界輻射通量密度越小，表明材料所需引燃的輻射熱流小，在火災(zāi)中容易被引燃，火災(zāi)危險(xiǎn)性相對(duì)較高。通過比較這5種典型線束包覆物的臨界輻射通量密度可以看出，火災(zāi)危險(xiǎn)性最高的是波紋管，火災(zāi)危險(xiǎn)性最低的是扎帶和熱縮管。

4　　結(jié)論

a.材料HRR隨時(shí)間變化的曲線可能出現(xiàn)1個(gè)或多個(gè)峰值。部分材料因阻燃劑的作用，點(diǎn)燃后HRR先達(dá)到峰值，然后維持平穩(wěn)，隨后由于阻燃層被破壞，HRR繼續(xù)增加。

b.5種線束包覆物材料均可以被點(diǎn)燃，隨著輻射通量密度增加，HRR增大，點(diǎn)燃時(shí)間縮短。在相同輻射通量密度下（30 kW∕m2）THR最多的是PA66原材料，其次是PA6原材料和扎帶，熱縮管THR少。5種線束包覆物的臨界輻射通量密度由大到小依次為扎帶、熱縮管、PA6原材料、PA66原材料、波紋管。

c.5種線束包覆物火災(zāi)安全等級(jí)由高到低依次為熱縮管、PA66原材料、PA6原材料、扎帶、波紋管。PA66和PA6原材料點(diǎn)燃后持續(xù)時(shí)間較長但火勢增長較慢，波紋管發(fā)生火災(zāi)時(shí)其火勢增長快但持續(xù)時(shí)間短。

d.通過PA6原材料與其制成的扎帶對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PA6原材料HRR低但THR多、燃燒持久，扎帶臨界輻射通量密度大，較難引燃，但引燃后危險(xiǎn)性高。因此，在制造過程中應(yīng)選擇合適的阻燃劑降低其火災(zāi)燃燒性能。

e.在材料選擇上，應(yīng)盡量選擇放熱量小、臨界輻射通量密度大的材料，如交聯(lián)聚烯烴。

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（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年1月25日。

中圖分類號(hào)：U463.62；O643.2+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）06-0032-04

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51323010）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（WK2320000033）。

通訊作者：楊立中，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事汽車火災(zāi)等方面的研究，yanglz@ustc.edu.cn。

Combustion Characteristic of Typical Wire Coating Based on Cone Calorimeter

Cui Jie1，Mao Yaqi2，Wu Gang2，Ju Xiaoyu1，Yang Lizhong1
（1.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026；2.Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230022）

【Abstract】To study the fire properties of the typical wire coating materials of automobile，we use ISO 5660 cone calorimeter to make radiation ignition test on two raw materials PA66 and PA6，and three different wire coating materials of PP，PA6 and XLPO under different radiation flux densities，to get parameters like ignition time，heat release rate（HRR），and use ignition time at different radiation conditions to calculate their critical radiation flux density.Through analysis of fire grow index（FGI），fire performance index（FPI）and other evaluation parameters，we conclude that PP has the highest fire risk while XLPO has the lowest fire risk.

Key words:Wire coating materials，Cone calorimeter，F(xiàn)ire properties，Heat release rate