乳膠泡沫引火位置對火蔓延特性的影響

郭晨寧，黃冬梅,2，張明振，趙玉法

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乳膠泡沫引火位置對火蔓延特性的影響

郭晨寧1，黃冬梅1,2，張明振1，趙玉法3

（1中國計量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2浙江省家具檢測技術(shù)研究重點實驗室，浙江杭州 310018；3喜臨門家具股份有限公司，浙江紹興312000）

利用自行搭建的小尺寸實驗平臺，開展了對不同點火位置的乳膠泡沫材料燃燒過程的對比實驗，通過對火蔓延過程中的部分重要參數(shù)（如最大火焰高度、火蔓延速度和蔓延過程中樣品表面溫度變化等）的測定，分析了點火位置不同時，乳膠泡沫材料的火蔓延特性。結(jié)果表明：邊緣點火和中間點火條件下，最大火焰高度分別為397和491 mm，火蔓延速度分別為1.8和0.97 mm·s-1；邊緣點火時的乳膠泡沫材料表面火蔓延過程中的溫度低于中間點火情況下。

火蔓延；泡沫；形態(tài)；溫度分布

引 言

因天然乳膠（NR）泡沫材料具有較強的回彈力性、良好的透氣性、防螨殺菌、促進睡眠、健康環(huán)保等優(yōu)點，已被廣泛作為高端床墊的填料。隨著社會的進步、經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，對生活品質(zhì)的要求越來越高，高端天然乳膠床墊已被眾多消費者認可和使用。乳膠泡沫材料是由乳膠發(fā)泡而成的高分子化合物，其主要存在的聚合物為苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（styrene-butadiene block copolymer），通過電鏡掃描得到的SEM圖像發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)形態(tài)為三維網(wǎng)狀[1]，如圖1（a）所示。其極限氧指數(shù)約為18.6%[2-3]。除此之外，為提高乳膠泡沫的透氣性以及人們使用時的舒適度，乳膠泡沫制作時表面有均勻分布的氣孔，如圖1（b）所示。這些氣孔雖然增加了乳膠泡沫的比表面積和透氣性，但是一旦發(fā)生火災(zāi)，將極大程度地促進火勢的蔓延、增加燃燒的充分性，火災(zāi)時，如果床墊處于良好的通風(fēng)條件下，將造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失；除此之外，發(fā)泡而成的高分子材料具有較快的火蔓延速率，使得人員的逃生時間受到限制。因此研究乳膠泡沫水平火蔓延特性，有利于從本質(zhì)上揭示三維網(wǎng)狀加氣孔乳膠泡沫材料的火蔓延影響規(guī)律，可為乳膠泡沫阻燃技術(shù)的研究以及研究其他工況條件下泡沫材料火蔓延行為提供理論依據(jù)，為控制和預(yù)防乳膠床墊火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐，對減少火災(zāi)發(fā)生后人員傷亡和經(jīng)濟損失具有極其重要的意義。

近年來，越來越多的科研工作者展開了對泡沫材料火蔓延特性的研究[4-5]，Prasad等[6]通過數(shù)值模擬對聚氨酯泡沫材料的傳熱機理進行了研究；Lie[7]通過實驗研究了可發(fā)性聚苯乙烯板(ESP)和聚氨酯泡沫在空心墻中的火蔓延規(guī)律，得出了保溫材料在不同空氣間隙情況下的火蔓延速度大?。籕uintiere[8]，Williams[9]和De Ris[10]對保溫材料火蔓延過程中的傳熱機理進行了研究，依此提出了預(yù)測火蔓延速率模型；隨后，Bhattacharjee等[11]通過對熱厚性材料燃燒速率的研究，彌補了De Ris對熱厚性材料逆流火蔓延模型假設(shè)的不足。

泡沫材料的火蔓延規(guī)律受外部環(huán)境（風(fēng)速、壓力）、樣品擺放角度、點火方式以及樣品尺寸等因素的影響，因此眾多科研工作者對此展開了研究[12-19]。如Wu等[12]通過研究風(fēng)速和環(huán)境溫度對樣品材料火蔓延過程燃燒速率的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速較低時樣品的著火時間基本不受環(huán)境溫度的影響，而火蔓延速率隨著風(fēng)速的增大而減小，隨著環(huán)境溫度的升高而增大；黃新杰等[13]通過對不同壓力環(huán)境下一系列保溫材料的研究發(fā)現(xiàn)，火蔓延速度受環(huán)境壓力的影響，環(huán)境壓力越小火蔓延速度越小；Wang等[14]通過對不同點火位置條件下豎直放置的聚合物開展研究，研究發(fā)現(xiàn)點火位置對燃料的熱釋放速率、最高放熱率、煙氣溫度、煙氣生成和煙氣毒性均有明顯的影響。Li等[15]和Drysdale等[16]通過對不同尺寸的樣品進行實驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著樣品寬度的增加火蔓延速率增大。Jiang等[17]、Huang等[18]和Zhang等[19]通過對不同尺寸的樣品進行實驗研究發(fā)現(xiàn)，火蔓延過程中的最大平均火焰高度、平均最大火焰溫度以及火蔓延速率均受到樣品寬度的影響。

綜上所述，前人對泡沫材料的火蔓延特性開展了研究，但是對于水平放置的樣品在不同點火位置條件下，表面存在氣孔的乳膠泡沫材料表面火蔓延行為的研究較少。基于此，本文利用自行搭建的小尺寸實驗平臺，以乳膠泡沫為研究對象，研究邊緣點火和中間點火時乳膠泡沫表面火蔓延特征。為火場救援工作的進行提供理論支撐，為乳膠泡沫材料阻燃性能的研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗臺設(shè)計

實驗采用自行搭建的小尺寸實驗平臺，實驗裝置如圖2所示，該實驗裝置主要由兩部分組成：①實驗臺系統(tǒng)由實驗架和石棉板組成，實驗架周圍有邊框，在邊框上放置尺寸為60 cm×60 cm×5 cm的隔熱石棉板，邊框的尺寸為60 cm×60 cm；②火蔓延特性測量系統(tǒng)包括熱電偶、攝像機以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，熱電偶測量乳膠泡沫材料燃燒過程中表面溫度變化，攝像機記錄乳膠泡沫材料燃燒過程中火焰形態(tài)的變化，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集并存儲燃燒過程中乳膠泡沫材料的表面溫度的變化。

熱電偶采用的是直徑為1 mm的K型不銹鋼鎧裝熱電偶，其測量范圍為-200～1300℃，測量精度為0.67%～0.89%。實驗中，為了測量乳膠泡沫燃燒過程中表面溫度的變化，在樣品的表面布置了一定數(shù)量的熱電偶，具體布置如圖3所示。在樣品的正中間布置1個熱電偶T45，以此為中心沿材料對角線方向分別布置兩個熱電偶，編號分別為T53、T52、T64、T61；沿平行線方向布置兩個熱電偶，編號為T43、T32，如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由3塊7018數(shù)據(jù)采集模塊和1塊7052轉(zhuǎn)換模塊組成。7018采集模塊利用USB接口與計算機相連，以便于進行數(shù)據(jù)的實時觀測和儲存。

設(shè)置了兩臺高清攝像機，攝像機a與樣品表面呈45°拍攝，攝像機b與樣品表面平行。實驗中利用高清攝像機實時記錄火焰形態(tài)的變化過程，為便于后期圖片的處理，在試樣表面用黑色記號筆將乳膠泡沫材料每隔5 cm畫平行線，將乳膠平均分成數(shù)個邊長為5 cm的正方形小塊，如圖3中的網(wǎng)格。不僅有利于火焰前鋒的定位，而且可以確定圖片空間和實物空間的比例尺，便于火焰高度的測量?；诖?，可以利用相關(guān)的圖像處理軟件獲取火焰形態(tài)特征參數(shù)，如火焰高度、火焰寬度等。

1.2 實驗準(zhǔn)備和實驗條件的設(shè)計

為了研究不同點火位置對乳膠床墊表面火蔓延特性的影響，本文選取天然乳膠泡沫材料為研究對象。試樣尺寸為25 cm×25 cm×2 cm。乳膠泡沫在火蔓延過程中，材料的密度、含水量、氣孔的分布等都是影響火蔓延特性的關(guān)鍵因素，因這些參數(shù)不在本文的研究范圍內(nèi)，為減少實驗結(jié)果的誤差，本文所選取的試樣均是從同一塊乳膠泡沫材料上裁剪下來的，且氣孔的位置分布一致，以減少不可控參數(shù)對試樣燃燒特性的影響。實驗開始前，將樣品放置在真空干燥箱里干燥24 h，干燥后取出放置在石棉板上后，用高速氣流沖吹樣品表面，清除樣品表面的雜質(zhì)與灰塵，并校準(zhǔn)熱電偶[20]。因邊緣點火和中間點火是不同點火距離材料中心的兩種極端情況，因此，實驗場景設(shè)置為點火位置為邊緣點火、中間點火，其他條件相同。為了實驗的準(zhǔn)確性，每組實驗做兩次，以0 s為點火時刻。

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰形態(tài)

乳膠泡沫是由乳膠發(fā)泡而成的高分子化合物，燃燒過程可分為熱量的吸收、熱分解與揮發(fā)、著火、熱量傳遞和火蔓延等5個階段[21]。材料受熱之后會發(fā)生熱解，析出揮發(fā)性產(chǎn)物，同時熱解發(fā)生還會形成非揮發(fā)性的固體殘留物。乳膠泡沫燃燒時的火焰形態(tài)是在周圍流場的作用下可燃物質(zhì)與氧化劑化學(xué)燃燒反應(yīng)的結(jié)果，火焰形態(tài)可以直觀地反映火蔓延過程中的燃燒特性，在燃燒過程中，由于空氣的卷吸作用使得火焰不斷脈動。

為了研究不同點火位置不同時間的火焰形態(tài)的變化規(guī)律，對視頻圖像進行處理，選取出不同點火位置對應(yīng)的不同時刻典型的火焰形態(tài)幀圖像，如圖4。邊緣點火時，火焰隨著時間的增加朝著乳膠泡沫表面前方未燃區(qū)蔓延，材料表面火蔓延形狀近似為三角形，如圖4中邊緣點火120 s圖片所示，在高度上方呈鋸齒狀，存在多個連續(xù)峰谷；中間點火時，火焰隨著時間的增加朝著乳膠泡沫表面四周未燃區(qū)蔓延，火焰呈圓錐形，高度方向上火焰近似矩形，火焰高度上方火焰形態(tài)較為平和，只有一個峰谷。

根據(jù)實驗記錄燃料燃燒過程的視頻圖像，將整個火焰的傳播過程分為點火（從點火時刻開始直至火焰蔓延至整個材料表面）、穩(wěn)定燃燒（從點火階段結(jié)束時刻開始到火焰蔓延至乳膠材料表面）和熄火（從穩(wěn)定燃燒階段結(jié)束時刻直至材料表面火焰熄滅）3個階段，其燃燒過程與火災(zāi)的發(fā)展過程相同[9]，不同點火位置火焰蔓延過程的每個階段的持續(xù)時間見表1。

表1 不同點火位置條件下各階段持續(xù)時間

2.2 火焰高度

根據(jù)前人的研究成果可知，水平火蔓延過程中的火焰高度可以定義為試樣表面與火焰最上端的垂直距離[22]。依此，測量了邊緣點火和中間點火情況下不同時刻火焰的最大高度，根據(jù)實驗過程中錄制的火蔓延過程，利用圖像處理軟件提取10幀/秒的圖像，利用自行編程的MATLAB程序測量火焰高度，如圖5所示。根據(jù)表1可知，燃燒過程分為3個階段。點火階段，火焰蔓延的面積以及產(chǎn)生的能量較小，限制了火焰的高度，因此火焰高度較低。邊緣點火時，乳膠泡沫材料燃燒60 s之后，火焰高度達到穩(wěn)定狀態(tài)，在240 mm左右波動，在199 s時，隨著火勢的蔓延，火焰面積增大，火焰蔓延至整個乳膠材料表面，同時燃燒的劇烈程度也隨之增大，使最大火焰高度達到峰值為397 mm。同理對中間點火時的火焰高度進行分析，亦有相似的規(guī)律，隨著火蔓延面積的增大，燃燒達到穩(wěn)定后，火焰高度達到最大約為491 mm，之后由于燃料逐漸燃盡，火焰高度開始下降，燃燒轉(zhuǎn)為熄火階段。

由圖5可知，在燃燒的點火初期邊緣點火和中間點火的火焰高度相差不大，可能因為在點火初期點火位置對火焰高度的影響較小；在燃燒的穩(wěn)定階段邊緣點火的火焰高度低于中間點火的火焰高度，這是因為中間點火時整塊乳膠材料都達到了充分燃燒的狀態(tài)，而邊緣點火時，火焰蔓延至整塊乳膠材料時，先著火的一側(cè)乳膠材料已燃盡。在熄火階段邊緣點火的火焰高度高于中間點火的火焰高度，這是因為中間點火在熄火階段中間的乳膠材料逐漸燃盡，邊緣地界的乳膠材料燃燒，邊緣點火時，先著火一側(cè)的乳膠材料逐漸燃盡，后著火一側(cè)的乳膠材料逐漸燃燒，如圖4。

2.3 火蔓延速度

火焰前鋒的位置隨時間的變化情況是衡量火蔓延速度的重要依據(jù)。因此，本文利用圖像法來確定火焰前鋒的位置，即利用布置在火焰前方與試樣上表面平齊的高度且垂直于火蔓延方向的攝像機拍攝到的圖像，結(jié)合軟件測量并計算火焰前鋒隨時間變化的情況。圖6所示為不同點火位置火焰前鋒位置隨時間變化的曲線。

由圖6可知，邊緣點火和中間點火的情況下，火焰前鋒位置與火蔓延時間近似呈線性關(guān)系，斜率為火蔓延速度，即火蔓延速度不隨時間的增加而改變。其中邊緣點火火蔓延的速度為1.8 mm·s-1、中間點火的火蔓延速度為0.97 mm·s-1。在常溫常壓下EPS泡沫材料的火蔓延速率在寬度為10 cm左右時，達到最小值約為3.5 mm·s-1 [18]，而硬質(zhì)PU泡沫材料的表面火蔓延速率在寬度為4 cm時最小，約為2.4 mm·s-1 [23]，且隨著寬度的增大火蔓延速率增大，與之相比天然乳膠泡沫材料具有較小的危險性。邊緣點火的火蔓延速度大于中間點火，是因為邊緣點火時，火焰的兩側(cè)沿著邊緣向未燃區(qū)域蔓延，由于邊界反應(yīng)，邊緣處具有更強的卷吸作用，使氧氣的供給更加充分，因此火蔓延的速度大于中間點火的火蔓延速度[24]。固體表面火蔓延速率f如式（1）[25]

(2)

式中，f,e為邊緣點火時火蔓延速率；f,c為中間點火時火蔓延速率；ph,e邊緣點火時預(yù)熱區(qū)長度；ph,c為中間點火時預(yù)熱區(qū)長度；由式(2)可知，火蔓延傳播速率與預(yù)熱區(qū)長度呈正比[26]，邊緣點火時的傳播速率近似為邊緣點火時的1.856倍，因此，邊緣點火時的火蔓延預(yù)熱區(qū)尺寸大于中間點火時的預(yù)熱區(qū)長度。

2.4 溫度變化

固體燃料燃燒表面溫度的發(fā)展規(guī)律是研究固體燃料燃燒特性的重要指標(biāo)之一。通過對其發(fā)展規(guī)律的研究，可以更好地指導(dǎo)火災(zāi)的撲救，降低火災(zāi)帶來的經(jīng)濟損失和人員傷亡。圖7為乳膠燃料燃燒過程中的引火點的溫度變化率。其中，T61測點和T45測點分別為邊緣點火和中間點火情況下的點火位置。乳膠材料表面火蔓延的過程如圖8所示?；鹇拥倪^程主要包括4個部分：未燃區(qū)、預(yù)熱區(qū)、熱解區(qū)和已燃區(qū)[21,23-24,27-29]。圖9為乳膠泡沫材料表面溫度隨時間的變化曲線。由圖7和圖9可知，火蔓延傳播過程與聚氨酯等泡沫材料相近[25]，乳膠泡沫材料的邊緣點火的點火時間約為18 s，中間點火的點燃時間約為14 s。

由圖7（b）和圖9（b）可知，中間點火時，點火瞬間乳膠表面溫度迅速增加至98℃，之后溫度略有下降，這是因為乳膠泡沫處于燃燒的初始階段，此階段，材料開始熱解陰燃，陰燃前鋒產(chǎn)生的殘留碳氧化產(chǎn)生的熱量比材料本身氧化釋放熱量多很多，因此當(dāng)乳膠泡沫表面由陰燃向明火轉(zhuǎn)變之后，乳膠泡沫表面溫度略有下降。而其他測點無變化，是由于點火時間較短，火焰產(chǎn)生的熱量尚未波及；但是，邊緣點火時，點火初期并未出現(xiàn)點火位置處溫度先上升后下降的現(xiàn)象。

無論是邊緣點火還是中間點火，在乳膠泡沫穩(wěn)定燃燒階段，溫度呈周期性波動變化，即乳膠泡沫的溫度隨著燃燒時間的增長而增大，達到最大溫度后又下降，周而復(fù)始，直至燃料燃燒進入衰減階段。這是由于，乳膠泡沫材料向四周未燃區(qū)蔓延時，未燃區(qū)材料的熱解需要大量的熱量[1]，同時乳膠泡沫的燃盡需要一定的時間，所以這種周期性的變化持續(xù)一段時間。隨著燃燒的進行，燃燒進入衰減階段，無論是邊緣點火還是中間點火，溫度都逐漸降低，直至燃料燃盡。

由圖9可知，中間點火的峰值溫度區(qū)間寬度大于邊緣點火時，且隨著時間變化出現(xiàn)多個峰值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是，由圖8可知，邊緣點火時，隨著火焰的向前傳播，當(dāng)熱解面接近熱電偶時，熱電偶溫度緩慢上升，直到達到穩(wěn)定燃燒階段，溫度到達最大值，當(dāng)測點處于熄火階段時，測點處（已燃區(qū)）的碳化層暴露于空氣中，此時測點受到的熱輻射和熱對流為(″f,c+″f,r)e；中間點火時，當(dāng)測點處于熄火階段時，測點處（已燃區(qū)）的碳化層包含于火焰面中，此時受到的熱輻射和熱對流為(″f,c+″f,r)c，直至整塊乳膠泡沫材料達到熄滅階段，溫度逐漸降低，可以明顯看出(″f,c+″f,r)e<(″f,c+″f,r)c。

3 結(jié) 論

本文利用自行搭建的小尺寸實驗平臺，以乳膠泡沫材料為研究對象，研究不同點火位置下的火焰形態(tài)、最大火焰高度、火焰蔓延速度等火蔓延規(guī)律，通過對比分析，得出以下主要研究結(jié)論。

（1）邊緣點火時最大火焰高度397 mm要小于中間點火時的最大火焰高度491 mm。邊緣點火時燃料表面的燃燒產(chǎn)生的溫度低于中間點火燃料表面的溫度。

（2）邊緣點火時的火蔓延速率1.8 mm·s-1大于中間點火時的火蔓延速率0.97 mm·s-1。

（3）邊緣點火時峰值溫度寬度大于邊緣點火時，且邊緣點火時，溫度隨著時間變化出現(xiàn)多峰現(xiàn)象。

影響乳膠泡沫材料火蔓延特性的因素有很多，包括點火位置、通風(fēng)條件、試樣厚度、試樣的大小等，本文主要針對不同的點火位置對乳膠泡沫材料火蔓延特性的影響展開了研究，在以后的工作中，將繼續(xù)開展其他因素對乳膠泡沫火蔓延特性的影響規(guī)律的研究。

符 號 說 明

cp——比定壓熱容，J?K-1?kg-1 k——熱導(dǎo)率，W?K-1?m-1 q″f——熱通量，W·m-2 Tp——點燃溫度，K Ts——環(huán)境溫度，K Vf——火蔓延速率，m·s-1 δph——預(yù)熱區(qū)長度，m ρ——密度，kg?m-3 下角標(biāo) c——對流，中間點火 e——邊緣點火 f——火焰 p——熱解前鋒 r——輻射 s——表面

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Effect of ignition position on flame spread of natural rubber latex foam

GUO Chenning1, HUANG Dongmei1,2, ZHANG Mingzhen1, ZHAO Yufa3

(1College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, Zhejiang, China;2Key Laboratory of Furniture Inspection Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310018, Zhejiang, China;3Xilinmen Furniture Co.,Ltd., Shaoxing 312000, Zhejiang, China)

Natural rubber (NR) latex foam is a typical cellular structure material manufactured by liquid latex compounds and has three dimension porous network structures. This kind of material has tremendous fire hazard because it is easily ignited and flame spreads extremely fast after ignited. Ignition position is one of the most important factors to determine the fire behavior of horizontal material. The aim of this study was to investigate the fire behavior of NR latex foam under center and edge ignition positions to provide the basic data for fire hazard evaluation of enclosure fire. Two types of experiments with center and edge ignition positions were carried out in a small-size flame spread experiment bench. The sample size was 25 cm×25 cm×2 cm with 6 mm diameter hole distribution in it. The temperature both on and above the sample surface and the flame front position were monitored during the experiment. The fire process was also recorded in horizontal and an angle of 45° to the horizontal direction. Then the flame height and flame spread rate were estimated. The results show that the maximum flame heights during the edge and center ignition condition test are 397 and 491 mm, respectively. The flame spread rates under the two ignition positions condition are 1.8 and 0.97 mm·s-1, respectively. And the flame temperature under the edge ignition condition test is lower than that of the center ignition test.

flame spread; foam; morphology; temperature distribution

10.11949/j.issn.0438-1157.20170347

X 932

A

0438—1157（2017）09—3623—08

2017-04-05收到初稿，2017-06-27收到修改稿。

黃冬梅。

郭晨寧（1993—），女，碩士研究生。

浙江省自然科學(xué)基金項目（17E060004）；浙江省大學(xué)生科研團隊項目（2016R409047）；國家自然科學(xué)基金項目（51306168）。

2016-04-05.

HUANG Dongmei, 20021567@163.com

supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province (17E060004), Zhejiang Undergraduate Research Team Project (2016R409047) and the National Natural Science Foundation of China (51306168).