通風狀況對乳膠泡沫材料燃燒特性影響*

沈利銘 張明振 黃冬梅 段鵬征 趙玉法

(1.喜臨門家具股份有限公司 浙江紹興 312000； 2.中國計量大學質量與安全工程學院 杭州 310018)

0 引言

乳膠床墊由于具有較好的彈性和抗螨除菌的效果受到許多消費者的青睞。床墊填充材料乳膠泡沫是由液態(tài)乳膠發(fā)泡而成，具有特殊三維網(wǎng)狀多孔結構[1]。乳膠泡沫極易燃燒，在燃燒過程中會釋放大量有毒有害氣體，并產(chǎn)生大量黑色絮狀顆粒物[2]，對人體造成極大危害。在發(fā)生火災時，極易引燃周圍可燃物，使得火焰蔓延速率迅速增加，具有很高的火災危險性[3]?；鹧娴穆邮且粋€重要的燃燒過程[4]，研究乳膠泡沫材料的燃燒特性很有意義。前人對聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫的火災行為進行了大量研究[5-6]，但是對乳膠泡沫的相關研究工作較少。FAN H W等[7]研究了乳膠泡沫材料的熱穩(wěn)定性，通過實驗獲得乳膠泡沫的平均活化能E和前指數(shù)因子A分別為92.82 kJ/mol和1.12×10-3s-1。HUANG D M等[8]研究了底部通風條件對乳膠泡沫火災行為的影響，實驗結果顯示材料在底部不通風和通風條件下的平均火蔓延速率分別為1.4 cm/s和1.6 cm/s。黃村[9]使用數(shù)值模擬的方法，分析不同風速對室內(nèi)火災發(fā)展情況的影響，研究結果表明無風條件下不利于煙氣的流通與擴散，并且隨風速的增加，煙氣蔓延出窗戶的長度隨之增加。侯龍飛等[10]使用FDS模擬央視大樓火災，研究了高層建筑火災時的溫度、煙氣濃度等參數(shù)在不同風速條件下的變化規(guī)律。童琳等[11]自主搭建實驗平臺，研究航空煤油在0～4.99 m/s風速范圍內(nèi)的燃燒特性，研究結果表明燃燒速率隨風速的增加而增加。

綜上所述，研究通風管道風速對乳膠泡沫的火焰蔓延特性的影響很有必要。本文研究了在管道通風風速為0，1.5，3，4.5，6 m/s時乳膠泡沫的燃燒特性，為乳膠泡沫阻燃技術的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗設計

實驗裝置由三部分組成：排煙系統(tǒng)、實驗臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。排煙系統(tǒng)主要由消防風機通風管道集煙罩和風速控制箱組成。風速主要由HTF型軸流式消防排煙風機提供。風機的額定功率為2.2 kW，空氣流量為6 120～8 500 m2/h。如圖1(a)所示，直徑為40 cm通風管道一端與風機連接，另一端與尺寸為200 cm×300 cm的集煙罩連接。實驗臺包括50 cm×50 cm×70 cm的不銹鋼支架、孔徑1.5 cm的鐵絲網(wǎng)、60 cm×40 cm×30 cm的角鋼支架、石棉板不銹鋼支架和鐵絲網(wǎng)承托實驗樣品，角鋼支架和石棉板用來收集燃燒產(chǎn)生的灰燼。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括風速計、電子天平、直徑0.05 cm的K型鎧裝熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀、攝像機和計算機。

1.2 實驗方法

在實驗中使用尺寸為25 cm×25 cm×2cm的乳膠泡沫樣品。在樣品表面繪制一系列2.5 cm的平行線，如圖1(b)所示，共布置6根熱電偶(TC1～TC6)，每相鄰2根熱電偶間距為3.54 cm，實時觀察火焰前鋒隨時間移動距離。使用3個攝像機分別與試樣表面呈45°-0°-45°放置，記錄整個實驗過程，分析火焰形態(tài)變化、火焰高度、背火面火蔓延情況等。實驗前，風速計用于校準通風管道的風速，風速由風速控制箱控制，風速可設定為0，1.5，3，4.5，6 m/s。將實驗樣品在40 ℃的恒溫干燥箱中干燥24 h。

(a)實驗臺示意

(b)熱電偶布置方式

2 實驗結果及分析

2.1 火焰形態(tài)

圖2顯示了靜風狀態(tài)以及風速為1.5，6 m/s時乳膠泡沫燃燒過程中的火焰形態(tài)。在靜風條件下，火焰前鋒經(jīng)過75 s到達材料邊緣，火焰形態(tài)由圓錐形變?yōu)榻清F形。隨著燃燒程度的加劇，燃燒釋放的黑色煙氣越來越多，在猛烈燃燒階段出現(xiàn)轟然現(xiàn)象，火焰寬度會大于材料寬度，原因是材料熱解產(chǎn)生揮發(fā)性氣體，揮發(fā)性氣體在材料邊緣被引燃。經(jīng)過160 s火焰熄滅，仍有少量殘留物附著在鐵絲網(wǎng)表面，殘留物繼續(xù)生成白色煙氣，并且空氣中漂浮有黑色絮狀煙顆粒。燃燒過程中材料表面可以分為火焰區(qū)、預熱區(qū)、燃燼區(qū)、未燃區(qū)。在風速為1.5 m/s時，火焰蔓延至材料邊緣時間為88 s，經(jīng)過156 s火焰熄滅；在風速為3，4.5，6 m/s時，火焰蔓延時間分別為76，71，75 s，火焰熄滅時間分別為150，148，146 s。

(a)靜風

(b)風速為1.5 m/s

(c)風速為6 m/s

2.2 質量損失速率與熱煙氣發(fā)展過程

質量損失反映了乳膠泡沫材料在燃燒過程中的燃燒與分解過程，其中質量損失越小，表示材料熱分解的產(chǎn)物越少，質量損失速率表示材料燃燒過程中熱解揮發(fā)速度的大小。圖3所示為乳膠泡沫材料在不同風速時質量和質量損失速率隨時間變化過程，最大質量損失速率分別為2.80，2.26，2.65，3.18，3.63 g/s。在有風條件下，風速較小時最大質量損失速率比靜風條件下小，并且隨著風速的增加，最大質量損失速率不斷增大。

(a)質量隨時間變化過程

(b)質量損失速率隨時間變化過程

風機主要作用對象是浮力羽流區(qū)中的流動煙氣，煙氣部分包括乳膠泡沫燃燒釋放的煙氣產(chǎn)物以及羽流流動過程中卷吸的空氣。乳膠泡沫燃燒區(qū)產(chǎn)生大量熱，一部分被試樣未燃部分吸收，另一部分在對流和輻射的作用下以對流或輻射能量流的形式擴散。熱煙氣發(fā)展過程如圖4所示。

圖4 熱煙氣發(fā)展過程

圖5 乳膠泡沫材料火焰高度變化

實驗產(chǎn)生的煙氣通過管道和風機排出實驗室窗口外面，煙氣在窗口上方一定高度處的質量流量可由式(2)計算為

式中，zw為煙氣羽流高出窗口上表面的高度，m；a為等效高度，m。

其中a可由式(3)表示為

式中，bw為窗口的寬度，m；hw為窗口的高度，m。

(5)

乳膠泡沫材料燃燒實驗過程中只有一個通風口，通常情況下，通風因子與通風口大小有關，通過影響燃燒空間內(nèi)的空氣流率進而影響實驗樣品的燃燒速率，其中通風因子越大，燃燒空間的空氣流率越大。

本實驗中通過改變管道風速影響燃燒空間空氣流率，隨著風速的增大，通風因子與火災熱釋放速率不斷增大。靜風時火焰主要靠浮力驅動，大量煙氣和揮發(fā)分積聚在火焰上方在受熱時產(chǎn)生明火，因而火焰高度較高，在有風時管道風速加速乳膠泡沫材料燃燒產(chǎn)生的大量煙氣和揮發(fā)分的移動，風速越大，燃燒空間空氣流率越大[12]。

2.3 火焰溫度與火蔓延速率

乳膠泡沫材料在管道風速為0，1.5，3，4.5，6 m/s時的最大火焰溫度分別為896.89，845.71，797.05，896.52，833.75 ℃。在火蔓延過程中火焰溫度均在400 ℃左右，火焰蔓延至整個材料表面之后，試樣燃燒過程加劇，火焰溫度出現(xiàn)升高的現(xiàn)象?；鹧媲颁h蔓延至熱電偶位置時，熱電偶溫度迅速升高，進而得出火焰前鋒移動時間，計算獲得火蔓延速率。單位時間內(nèi)火焰前鋒蔓延的距離即為火蔓延速率?；鹇铀俾识汲什粩嘣龃筅厔荩畲蠡鹇铀俾史謩e為0.44，0.51，0.44，0.51，0.59 cm/s，平均火焰蔓延速率分別為0.24，0.20，0.23，0.25，0.24 cm/s。由于火蔓延初期火勢較小，釋放的煙氣量也比較小，管道風速的大小對火蔓延速率沒有影響。

3 結論

(1)在管道風速為0，1.5，3，4.5，6 m/s時，最大質量損失速率分別為2.80,2.26，2.65，3.18，3.63 g/s，風速較小時最大質量損失速率比靜風條件下小，并且隨著風速的增加，最大質量損失速率不斷增大。

(2)不同管道風速下的最大火焰高度分別為96.39，72.83，90.68，94.96，95.32 cm。靜風條件下的平均火焰高度和最大火焰高度都比有風時高，在有風條件下，隨著風速的不斷增大，最大火焰高度不斷增大，有風時隨著管道風速的增加，乳膠泡沫材料燃燒產(chǎn)生的大量煙氣和揮發(fā)分排放效率增加，通風因子與火災熱釋放速率不斷增大。