熱塑性聚合物建筑裝修材料燃燒特性及火災(zāi)預(yù)防研究

王永祝

(濟(jì)南市消防支隊(duì)，山東 濟(jì)南　250101)

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熱塑性聚合物建筑裝修材料燃燒特性及火災(zāi)預(yù)防研究

王永祝

(濟(jì)南市消防支隊(duì)，山東 濟(jì)南250101)

熱塑性聚合物建筑裝修材料一旦發(fā)生火災(zāi)，后果往往比較嚴(yán)重。分析了近年來國(guó)內(nèi)外在熱塑性聚合物建筑裝修材料燃燒特性方面的研究成果，結(jié)果表明熱塑性聚合物裝修材料具有熔融流動(dòng)等特性，燃燒過程比較復(fù)雜，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生毒性氣體等，威脅人員生命安全。從研發(fā)防火阻燃材料等四個(gè)方面提出了熱塑性聚合物裝修材料的火災(zāi)預(yù)防措施。

聚合物；裝修材料；熱塑性；燃燒特性

0　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技進(jìn)步，聚合物材料被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，成為繼水泥、鋼鐵、木材之后的第四大建筑材料。對(duì)于建筑物而言，在建筑內(nèi)部裝修中，塑料、纖維、橡膠、涂料和膠黏劑等聚合物建筑裝修材料得到了大量應(yīng)用。在建筑室外裝修中，聚苯乙烯泡沫、硬質(zhì)聚氨酯泡沫、酚醛泡沫等聚合物材料作為外墻保溫材料也被廣泛應(yīng)用。

聚合物建筑裝修材料按照熱特性可分成熱固性和熱塑性兩大類。熱塑性聚合物建筑裝修材料因其具有原料來源豐富、密度小、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性能優(yōu)良、耐腐蝕、成型加工簡(jiǎn)便、制造能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在建筑物中大量使用[1]。聚合物材料雖然可以通過添加阻燃劑等方法提高耐火等級(jí)，但也無法保證發(fā)生火災(zāi)后不發(fā)生燃燒或?qū)е禄馂?zāi)蔓延并釋放有毒氣體。熱塑性聚合物在施工現(xiàn)場(chǎng)存放、施工安裝和日常使用均可能造成火災(zāi)。近年來，在我國(guó)熱塑性聚合物裝修材料引發(fā)了多起火災(zāi)事故。如2010年11月15日，上海市靜安區(qū)教師公寓在外保溫施工過程中引發(fā)火災(zāi)，火焰沿外保溫裝修材料迅速蔓延，并通過窗口進(jìn)入樓層引發(fā)室內(nèi)火災(zāi)，最終導(dǎo)致整棟建筑立體式燃燒。2009年2月9日，央視新址配樓的室外裝修材料發(fā)生火災(zāi)，同樣導(dǎo)致整棟建筑立體式燃燒，導(dǎo)致一名消防員犧牲，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由此可見，開展熱塑性聚合物建筑裝修材料燃燒特性及火災(zāi)預(yù)防方面的研究，對(duì)于降低該類材料的火災(zāi)事故具有重要意義。

1　熱塑性聚合物建筑裝修材料的燃燒特性

熱塑性聚合物裝修材料燃燒過程是一個(gè)氣相輸運(yùn)和凝聚相輸運(yùn)過程互相耦合的復(fù)雜過程，通常要經(jīng)歷熱量蓄積、分解或降解和氣化、著火、熱傳遞和蔓延等過程。在外加熱源的作用下，傳遞給熱塑性材料的熱量不斷蓄積，溫度急劇上升，材料發(fā)生分解或降解與氣化，這時(shí)所得產(chǎn)物有可燃?xì)怏w和不可燃?xì)怏w，也有聚合物分裂的液體和碳化產(chǎn)物[2]。氣化產(chǎn)物在這一階段又不斷氣化，在氧氣充足的情況下，當(dāng)可燃?xì)怏w達(dá)到一定濃度燃燒就有可能發(fā)生。燃燒發(fā)生后，燃燒產(chǎn)生的熱量通過熱輻射等途徑傳遞回燃燒區(qū)域附近的聚合物，上述過程不斷重復(fù)使燃燒不斷繼續(xù)直至燃燒條件被外界破壞。熱塑性聚合物裝修材料燃燒過程如圖1所示。

圖1　熱塑性聚合物裝修材料燃燒過程

從20世紀(jì)80年代末開始，國(guó)際上對(duì)各種熱塑性材料的火災(zāi)蔓延規(guī)律進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。學(xué)者K.Satio和J.G.Quintiere對(duì)PMMA的向上火蔓延速率進(jìn)行了初步研究；K.D. Steckler和T.Kashiwagi等人對(duì)非碳化熱塑性材料受熱后的氣化過程提出了解析模型；J. Zhang和T.J.Shields就熱塑性材料的熔融流動(dòng)行為對(duì)其向上火蔓延的影響進(jìn)行了初步研究，研究結(jié)果表明熱塑性材料的向上火蔓延規(guī)律與熱固性材料不同，材料的熔融流動(dòng)行為對(duì)向上火蔓延行為有較大的影響；美國(guó)NIST的Ohlemiller利用小尺寸試驗(yàn)研究了聚合物黏性對(duì)其熔融流動(dòng)與可燃性的影響，研究了點(diǎn)火源與材料底部的距離，點(diǎn)火源的放置高度對(duì)火災(zāi)蔓延過程的影響[2]；英國(guó)Edinburg大學(xué)的Sherratt利用自建的試驗(yàn)裝置對(duì)卷成桶狀的聚乙烯薄膜進(jìn)行了全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，研究了材料在這種形式下的燃燒過程與行為；美國(guó)NIST的K.Butler和M.Bockelie等人考慮熱塑性材料受熱的熔融滴落過程，利用粒子有限元法對(duì)熱塑性材料無熱解反應(yīng)條件下的燃燒過程進(jìn)行了模擬研究。

近年來，隨著熱塑性材料的廣泛使用以及相關(guān)火災(zāi)事故的不斷發(fā)生，國(guó)內(nèi)的火災(zāi)研究學(xué)者對(duì)火蔓延規(guī)律的研究也開始從熱固性材料轉(zhuǎn)向熱塑性材料。青島科技大學(xué)張峰、張軍[3]在早期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)常見的熱塑性材料的燃燒行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，初步分析了熔融流動(dòng)對(duì)向上火蔓延規(guī)律的影響，并且提出了利用錐形量熱儀確定聚合物導(dǎo)熱系數(shù)的方法；武警學(xué)院的舒中俊等人[4]利用錐形量熱儀對(duì)聚合物材料進(jìn)行輻射加熱，研究其熱解燃燒行為，得到了評(píng)價(jià)聚合物火災(zāi)危險(xiǎn)性的方法；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的徐亮等人[5-6]利用ISO9705實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)PP、PE、PS、PMMA等熱塑性材料在敞開空間條件下的燃燒行為進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究。香港理工大學(xué)周允基等人[7-8]將熱塑性材料固定在室內(nèi)的壁面上，對(duì)腔室火災(zāi)條件下的熱塑性材料燃燒行為進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究。

通過梳理學(xué)者們的研究成果可知，在一定條件下，熱塑性聚合物材料引發(fā)或者卷入火災(zāi)后，通常會(huì)造成一系列危害，主要體現(xiàn)在熱危害和非熱危害兩個(gè)方面，可分別概括為“熱、煙、毒、腐”等方面：如在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)釋放大量熱量，通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射等形式將火勢(shì)擴(kuò)大，對(duì)人員造成灼傷或?qū)ㄖY(jié)構(gòu)造成損壞[9]；釋放大量濃厚煙霧，干擾視線和人員疏散；產(chǎn)生毒性氣體和窒息性產(chǎn)物，直接威脅人員生命安全；產(chǎn)生刺激性或腐蝕性產(chǎn)物，危害人員皮膚、眼睛等器官；燃燒時(shí)熔融滴落形成油池火，從而造成火勢(shì)擴(kuò)大或人員燙傷。

可見，熱塑性聚合物材料在火災(zāi)條件下的燃燒行為比普通固體材料要復(fù)雜很多，它在受熱時(shí)會(huì)經(jīng)歷降解、氣化、熔融過程，從而導(dǎo)致固體火災(zāi)和液體火災(zāi)兩種形式同時(shí)存在且相互影響，熔融流動(dòng)特性也使得熱塑性材料在火災(zāi)中會(huì)通過可燃液體的流動(dòng)大大增加火災(zāi)的危害程度。因此，仍需要深入研究熱塑性材料的熔融流動(dòng)等燃燒特性行為，分析其燃燒過程中固體火災(zāi)和液體火災(zāi)的相互影響作用。

2　熱塑性聚合物裝修材料的火災(zāi)預(yù)防措施

從前面的分析可以看出，熱塑性聚合物裝修材料一旦發(fā)生火災(zāi)，后果往往比較嚴(yán)重，因此開展其火災(zāi)預(yù)防研究意義重大。結(jié)合前人研究成果，當(dāng)前針對(duì)熱塑性聚合物裝修材料的火災(zāi)預(yù)防主要可以從以下四個(gè)方面采取措施：

2.1積極研發(fā)和推廣防火阻燃材料

大力研發(fā)和推廣聚合物防火阻燃材料，改善熱塑性聚合物建筑裝修材料的燃燒性能，降低其火災(zāi)危險(xiǎn)性。其中含添加劑的聚合物材料阻燃性能研究是一個(gè)與化學(xué)研究相關(guān)的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外眾多研究人員在該領(lǐng)域展開了廣泛的研究。積極研發(fā)防火性能較好的玻璃棉、礦棉等保溫隔熱材料，替代熱塑性聚合物建筑裝修材料，從本質(zhì)上降低建筑材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性。如礦棉吸音板、纖維石膏板、膨脹珍珠巖吸音板等輕質(zhì)板材，均是替代熱塑性聚合物建筑裝修材料的有效辦法。

2.2采取空間分隔措施

新修訂并自2015年5月1日起實(shí)施的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)要求，建筑外墻外保溫系統(tǒng)應(yīng)每層設(shè)置水平防火隔離帶、空腔應(yīng)在每層樓板處進(jìn)行防火封堵和電氣線路穿金屬管進(jìn)行保護(hù)等防火保護(hù)措施。這是近年來提出的用于外墻保溫系統(tǒng)的防火構(gòu)造措施，雖然國(guó)外已有一些防火構(gòu)造措施應(yīng)用研究，但數(shù)據(jù)仍不充分，下一步可開展外墻外保溫系統(tǒng)防火構(gòu)造措施有效性方面的研究。

2.3嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范的相關(guān)規(guī)定

通過技術(shù)規(guī)范對(duì)建筑物使用熱塑性聚合物裝修材料進(jìn)行限制。《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對(duì)建筑內(nèi)外保溫系統(tǒng)保溫材料的使用提出了嚴(yán)格的要求，一是所有建筑的內(nèi)外保溫系統(tǒng)嚴(yán)禁采用B3級(jí)保溫材料；二是人員密集場(chǎng)所和設(shè)置人員密集場(chǎng)所的建筑外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)和外保溫系統(tǒng)均應(yīng)采用燃燒性能為A級(jí)的保溫材料；三是其他場(chǎng)所和建筑按照使用功能、建筑高度和無空腔結(jié)構(gòu)、有空腔結(jié)構(gòu)分別提出了明確的強(qiáng)制性要求?！督ㄖ?nèi)部裝修設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50222—2015)按照建筑使用功能、建筑高度和固定消防設(shè)施設(shè)置情況分別對(duì)吊頂、墻面、隔斷、地面、固定家具、窗簾幕布、裝飾物品等室內(nèi)裝修材料提出了明確規(guī)定。

2.4廣泛開展消防宣傳，落實(shí)消防安全責(zé)任制

各級(jí)政府部門應(yīng)加強(qiáng)消防宣傳和以社會(huì)單位為主體的消防安全責(zé)任制的落實(shí)，充分利用報(bào)刊、電臺(tái)、電視、網(wǎng)絡(luò)新媒體等媒介廣泛開展消防宣傳教育工作，提高全社會(huì)的消防安全意識(shí)，構(gòu)建全社會(huì)、全方位的輿論監(jiān)督體系，及時(shí)曝光重大火災(zāi)隱患和消防違法行為。建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、工程監(jiān)理、公安消防等單位要嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)建筑裝修材料的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)督管理等所有環(huán)節(jié)全面落實(shí)消防安全責(zé)任制，從而多方合力共同推進(jìn)熱塑性聚合物建筑裝修材料的火災(zāi)防控工作。

[1] 程旭東.受限空間內(nèi)典型熱塑性材料熔融流動(dòng)燃燒行為研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

[2] 崔崳.豎直壁面條件下常用有機(jī)外墻保溫材料的火災(zāi)行為研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

[3] 張峰,張軍.錐形量熱儀確定聚合物材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法[J].高分子材料科學(xué)與工程,2008,24(5):124-127.

[4] 舒中俊,徐曉楠,李響.聚合物材料火災(zāi)燃燒性能評(píng)價(jià)——錐形量熱儀試驗(yàn)方法[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[5] 徐亮，張和平，萬玉田，等.熱塑性裝飾材料大尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,38(5):563-568.

[6] 徐亮,張和平,萬玉田.熱塑性裝飾材料點(diǎn)燃性能研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2007,9(12):39-43.

[7] CHOW W K,LEUNG C W.Necessity of testing fire behaviour of plastic materials under flashover[J].Polymer Testing,2006,25:853-858.

[8] CHOW W K,LEUNG C W,ZOU Gaowan.Flame spread over plastic materials in flashover room fires[J].Construction and Building Materials,2008,22:629-634.

[9] 鐘小璇,陳曦.基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的電纜火災(zāi)危險(xiǎn)性分析[J].安全與環(huán)境工程,2010,17(4):60-63.

(責(zé)任編輯李蕾)

A Study on Combustion Characteristics and Fire Prevention of Thermoplastic Polymer Decoration Building Materials

WANG Yongzhu

(Ji’nanMunicipalFireBrigade,ShandongProvince250101,China)

In the case of a fire, the results caused by the combustion of thermoplastic polymer decorative materials are very serious. The research results on the combustion characteristics of thermoplastic polymer decoration building materials in China and abroad are analyzed in this paper. The results indicate that the thermoplastic polymer has the characteristics of melting flow, and the combustion process shows a high complexity. Additionally, the combustion produces toxic gases, which pose a threat to the safety of life. Finally, the fire prevention and response measures of thermoplastic polymer decoration materials are suggested from four aspects, such as research and development of fire retardant materials.

polymer; decorative materials; thermoplastic; combustion characteristics

2016-04-10

王永祝(1969—)，男，山東章丘人，高級(jí)工程師。

D631.6

A

1008-2077(2016)06-0066-03