火災(zāi)中玻璃破裂行為及其表面附著物特性的研究

陳昊馳 王理翔 宋曉婷

(華北科技學(xué)院 北京 101601)

火災(zāi)中玻璃破裂行為及其表面附著物特性的研究

陳昊馳 王理翔 宋曉婷

(華北科技學(xué)院 北京 101601)

通過不同物質(zhì)燃燒產(chǎn)生火焰與玻片直接接觸，冷卻靜置后采集玻片樣品，對(duì)其標(biāo)注分類，采用X射線光電子能譜分析(XPS)對(duì)其分析，發(fā)現(xiàn)表面含C、O等元素，分析其元素百分比及判斷其存在形式和玻片破裂因素。通過XPS圖譜分析，依據(jù)不同化學(xué)態(tài)的C元素結(jié)合能不同，發(fā)現(xiàn)樣品中碳元素的幾種有機(jī)碳形態(tài)存在形式，根據(jù)不同形態(tài)含碳有機(jī)物結(jié)合能，針對(duì)燃燒物對(duì)有機(jī)碳存在形態(tài)做出了判斷。

玻璃;燃燒;XPS;結(jié)合能

一、引言

火災(zāi)造成的破壞巨大，難以估量。所以，要讓火源處于可控范圍，盡最大可能減少火災(zāi)對(duì)人類造成的傷害。不同物質(zhì)產(chǎn)生的火焰顏色高度及熱量都不同，火災(zāi)環(huán)境的復(fù)雜性決定不同物質(zhì)燃燒對(duì)玻璃有著不同的損壞程度。[1]為找出不同燃燒物產(chǎn)生的火焰對(duì)玻璃產(chǎn)生損壞程度的規(guī)律，本文旨在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)找尋答案。

不同物質(zhì)燃燒在玻璃表面形成的殘留物質(zhì)對(duì)玻璃表面也有影響，因此用XPS這種表面靈敏的分析工具來(lái)分析其表面元素組成。[2]對(duì)玻璃受熱破裂分析，可提高對(duì)玻璃受熱破裂機(jī)理的認(rèn)識(shí)，更清楚的認(rèn)識(shí)到破裂規(guī)律性，增強(qiáng)建筑安全防火設(shè)計(jì)，對(duì)制作滅火救援方案與人員安全疏散方案具有非常重要的參考意義。

二、試驗(yàn)樣品采樣過程

(一)采集材料

采樣材料為玻片，燃燒皿，鑷子，溫/濕度計(jì)，燒杯，標(biāo)簽貼，收納盒，酒精，固態(tài)酒精，柴油，醫(yī)用棉，聚丙烯樹脂，隔熱手套。1

(二)采樣過程

(1)準(zhǔn)備材料，整理歸類；(2)記錄實(shí)驗(yàn)室室溫及濕度，打開排氣裝置；(3)在燃燒皿中放足量酒精，點(diǎn)燃器皿中酒精；(4)戴上隔熱手套，等待5秒至火焰穩(wěn)定，用鑷子夾持玻片，與實(shí)驗(yàn)臺(tái)平行接觸火焰，距燃燒物約4cm，且處于火焰當(dāng)中，使玻片與火焰充分接觸20秒，在空氣中冷卻至室溫；(5)用兩塊全新重復(fù)第4步，分別與火焰接觸40秒，60秒，在空氣中冷卻至室溫；(6)收集三塊玻片，貼上標(biāo)簽貼并做好相應(yīng)標(biāo)記，放于收納盒中，清洗燃燒皿；(7)分別用食用油、柴油、木材、醫(yī)用棉、油漆替換酒精，重復(fù)上述步驟；(8)收集好樣品，放于收納盒中，整理實(shí)驗(yàn)器材，處理廢渣廢料，關(guān)閉排氣裝置；(9)對(duì)收集好的樣品(共15塊)進(jìn)行XPS分析。

1,2,3號(hào)樣品為未處理樣品，用于對(duì)比；4,5,6號(hào)為棉花分別燃燒60s,40s，20s；7,8,9號(hào)為酒精燃燒；10,11,12為柴油燃燒20s，40s，60s；13,14,15號(hào)為固態(tài)酒精燃燒60s，40s，20s；16,17,18為聚丙烯樹脂。

三、XPS分析

(一)XPS全譜分析

進(jìn)行全譜掃描，得出樣品元素種類。本文設(shè)置能量范圍0～1400eV，在該范圍下掃描。

樣品中基本只含C，O兩種元素。分別對(duì)這兩個(gè)元素進(jìn)行高分辨率掃描。不對(duì)酒精和固態(tài)酒精進(jìn)行分析的原因是其沒有固體燃燒產(chǎn)物，玻片表面無(wú)附著物。

樣品中C，O元素占大部分，該分析結(jié)果符合常規(guī)研究。

XPS定量分析結(jié)果如下：4號(hào)樣品元素C1s原子百分比為85.496%，O1s為14.504%；5號(hào)C1s原子百分比為88.035%，O1s為11.965%；6號(hào)C1s Scan A為67.66%，C1s B為7.492%，C1s C為3.165%，C1s D為7.259%，O1s為14.423%；10號(hào)C1s A為58.413%，C1s B為23.301%，C1s C為7.101%，C1s D為4.543%，O1s為6.642%；11號(hào)C1s A為43.907%，C1s B為31.638%，C1s C為8.806%，C1s D為5.427%，O1s為10.222%；12號(hào)C1s為94.458%，O1s為5.542%；16號(hào)C1s為87.586%，O1s為12.414%；17號(hào)C1s為85.993%， O1s為14.007%；18號(hào)C1s A為72.893%，C1s C為6.09%，C1s D為7.087%， O1s為13.929%。

(二)高分辨率XPS圖譜分析

對(duì)樣品進(jìn)行窄區(qū)掃描，獲得更精確的信息，如元素結(jié)合能，元素存在化學(xué)狀態(tài)。

由玻片10號(hào)C的譜圖可知，C含量很高，其組成比較復(fù)雜。C1s A信號(hào)結(jié)合能位于284.7eV，F(xiàn)WHM值為1.16eV；C1s B信號(hào)結(jié)合能位于285.78eV，F(xiàn)WHM值為1.1eV；C1s C結(jié)合能位于287.05eV，F(xiàn)WHM的值為1.57eV；C1s D信號(hào)結(jié)合能位于289.7eV，F(xiàn)WHM值為1.41eV。碳元素存在五個(gè)峰，依據(jù)不同官能團(tuán)結(jié)合能，各個(gè)峰代表的化合物分別為：ScanA為C-C鍵化合物；ScanB為C=C鍵化合物；ScanC為C-O鍵化合物；ScanD為C=O鍵化合物。分析C1s圖譜可知，四種形態(tài)化合物，均為有機(jī)碳化合物，因此，碳在玻片表面以有機(jī)形態(tài)存在，各個(gè)形態(tài)含碳有機(jī)物相對(duì)百分比為58.41：23.301：7.101：4.543。

上述數(shù)據(jù)說明殘留物部分為燃燒后柴油蒸發(fā)附著玻璃表面，還有部分是柴油在空氣中燃燒后產(chǎn)物附著。柴油燃燒固態(tài)污染物有碳、金屬、無(wú)機(jī)氧化物、硫酸鹽及多環(huán)芳烴(PAH)和醛等碳?xì)浠衔?。玻片表面黑色油膩物質(zhì)為固體微粒(PM)，是氣體中可見污染物，實(shí)驗(yàn)過程冒出的黑煙。[3]這類物質(zhì)附著玻片表面使火焰無(wú)法直接接觸玻片，一定程度上減少玻片受到火焰破壞。乙醇熱值為3×10^7焦耳/千克，柴油為4.29×10^7焦耳/千克，密度相近，柴油燃燒熱更高，但玻片沒炸裂，沒達(dá)到跟95酒精相近效果，因此，柴油燃燒產(chǎn)物起到阻燃隔熱作用。酒精燃燒火焰直接接觸玻片表面，酒精直接傷害更多。而棉燃燒產(chǎn)物為水，二氧化碳，一氧化碳和碳顆粒。與火焰接觸越長(zhǎng)黑斑越少，由于在與火焰接觸過程，表面附著碳顆粒與空氣中氧氣反應(yīng)生成二氧化碳，幾乎沒有阻燃隔熱作用。[4]

四、結(jié)論

本文采用不同燃燒物火焰加熱玻片，拍攝樣張觀察玻片表面特征及破裂形式，結(jié)合XPS檢測(cè)玻片表面附著物元素信息，得到以下結(jié)論：

(一)通過觀察拍攝樣張發(fā)現(xiàn)，不同燃燒物對(duì)玻璃有不同的破壞程度，其結(jié)果不僅取決于燃燒物燃燒熱，而且與燃燒產(chǎn)物阻燃性，玻片表面附著量有關(guān)。

(二)XPS分析后，能夠測(cè)到玻片表面具有C，O元素，對(duì)C元素進(jìn)行高分辨率圖譜分析。柴油燃燒實(shí)驗(yàn)中含碳有機(jī)物存在形式多為裂解碳(干煙灰)、未燃碳?xì)浠衔铩C(jī)油與柴油在燃燒時(shí)生成的硫酸鹽等；聚丙烯燃燒實(shí)驗(yàn)中玻片上含碳有機(jī)物的存在形式多為有機(jī)酸、二氧化碳、一氧化碳、水和碳顆粒。

(三)結(jié)合文獻(xiàn)與本文分析結(jié)果，柴油燃燒產(chǎn)物附著玻片表面，緩解玻璃炸裂作用非常明顯，能夠一定程度起到阻燃隔熱作用。

(四)聚丙烯在燃燒過程中產(chǎn)生有機(jī)酸[5]，對(duì)玻璃破壞作用不僅是燃燒熱，還有甲酸、乙酸等酸性有機(jī)物的腐蝕作用。

[1]魏小琴，范鈺珍.玻璃破損痕跡的勘查與應(yīng)用[J].湖北警官學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,(4)：183-184.

[2]劉義祥，胡建國(guó)，李會(huì)榮.火災(zāi)中窗玻璃熱炸裂痕跡形成機(jī)理的研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2005，24(4)：430-432.

[3]張毅.火災(zāi)場(chǎng)景中玻璃破裂行為研究綜述[J].災(zāi)害學(xué)，2010，25：114.

[4]李建華等.普通窗玻璃熱破裂行為研究[J].火災(zāi)科學(xué)，1999，8(3)：21-28.

[5]聶士斌.聚丙烯阻燃協(xié)效、成炭機(jī)理和新型膨脹阻燃體系的研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

華北科技學(xué)院基金項(xiàng)目：不同濃度條件下瓦斯爆炸傳播致障效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究(3142017024)

陳昊馳(1993—)，男，漢族，江蘇人，碩士研究生，華北科技學(xué)院，研究方向：危險(xiǎn)化學(xué)品安全技術(shù)。