軌道車輛用高分子保溫材料燃燒行為研究與火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

趙震，于全蕾，李旭光，倪延強(qiáng)，黃國斌

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031)

軌道車輛無論是在靜止還是運(yùn)行過程中，熱傳遞每時(shí)每刻都在以熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流這3種傳遞方式同時(shí)進(jìn)行[1]，為了避免由于車輛熱傳遞給乘客帶來的不適，降低車輛的能量損耗，提高能量利用率，必須在車體適當(dāng)?shù)奈恢娩佋O(shè)隔熱保溫材料。保溫材料包括無機(jī)保溫材料和高分子保溫材料，高分子保溫材料有著無機(jī)材料無可替代的物理性能，不僅能夠起到節(jié)能減排保溫隔熱的作用，同時(shí)也可以減少配重使列車輕量化，提高車輛運(yùn)行速度。然而在阻燃性能方面，無機(jī)材料大多可歸為不可燃材料，火災(zāi)危險(xiǎn)性較低，而高分子保溫材料大多屬于易燃物，在燃燒時(shí)會(huì)釋放大量的熱以及煙霧毒氣，其作為一種在車內(nèi)大面積連續(xù)鋪設(shè)的火災(zāi)固定載荷，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)容易迅速蔓延至整個(gè)車廂，對(duì)人員生命和財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[2]，是火災(zāi)發(fā)生的重大危險(xiǎn)源，因此軌道車輛用高分子保溫材料的燃燒行為與火災(zāi)危險(xiǎn)性值得重點(diǎn)關(guān)注。

目前高分子保溫材料燃燒性能的研究大多集中在建材領(lǐng)域，對(duì)聚氨酯泡沫以及聚苯乙烯泡沫等材料的研究較多[3–7]，其研究手段也大都基于錐形量熱法[8–9]，然而材料的燃燒行為是多因素綜合影響的過程，僅采用單個(gè)測(cè)試方法有時(shí)會(huì)很片面，不能貼近材料真實(shí)的燃燒情況，應(yīng)采用多種測(cè)試表征與綜合考量相結(jié)合的方式對(duì)材料的燃燒行為進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)。層次分析法(AHP)是定性與定量分析相結(jié)合，多目標(biāo)、多準(zhǔn)則的決策方法[10]，可用于聚合物材料的火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)。舒中俊、吳蕓等運(yùn)用AHP對(duì)鋪地材料、保溫材料、碳纖維復(fù)合材料等高分子材料的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估排序，在材料的火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估方面取得了進(jìn)展[11–15]，然而對(duì)于軌道車輛用高分子材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性綜合評(píng)估仍處于空白，因此筆者選取了3種典型的軌道車輛用高分子保溫材料，分別為橡塑海綿(RPS)、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)結(jié)構(gòu)泡沫和三聚氰胺泡沫(MRF)作為研究對(duì)象，依據(jù)目前國內(nèi)外通用的軌道車輛非金屬材料防火檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)EN45545-2：2020《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛防火—第二部分：材料和部件的防火性能要求》[16]，采用4種不同的測(cè)試方法分別從熱釋放、煙密度、毒性氣體以及火焰蔓延多個(gè)方面對(duì)3種高分子保溫材料的燃燒行為進(jìn)行研究，并基于AHP法建立高分子保溫材料火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，對(duì)其火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而為軌道車輛用高分子保溫材料的選材應(yīng)用以及該類材料未來的發(fā)展方向提供合理的建議。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

MRF：由三聚氰胺甲醛樹脂微波發(fā)泡制成的三維網(wǎng)狀軟質(zhì)熱固性泡沫塑料，常熟市軍友塑料制品有限公司；

RPS：以丁氰橡膠和聚氯乙烯為主要原料發(fā)泡制成的軟質(zhì)彈性閉孔保溫節(jié)能材料，常熟市軍友塑料制品有限公司；

PET結(jié)構(gòu)泡沫：江蘇越科新材料有限公司。

1.2 儀器

NBS煙密度試驗(yàn)箱：FTT0064型，英國FTT公司；

錐形量熱儀：FTT0242型，英國FTT公司；

傅里葉變換紅外(FTIR)煙氣毒性測(cè)試系統(tǒng)：ACF5000型，加拿大ABB公司；

火焰蔓延測(cè)試儀：IMO型，昆山莫帝斯燃燒技術(shù)儀器有限公司。

1.3 測(cè)試方法

(1)煙密度。

按照ISO 5659-2：2017《塑料煙生成第2部分單室法測(cè)定煙密度試驗(yàn)方法》(50 kW，無引燃，10 min)測(cè)試，樣品尺寸為75 mm×75 mm×10 mm。

(2)毒性指數(shù)。

按照EN17084：2018《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛防火—材料和部件的毒性試驗(yàn)》(50 kW，無引燃，10 min)測(cè)試，樣品尺寸同煙密度測(cè)試。

(3)熱釋放速率。

按照ISO 5660-1：2015《對(duì)火反應(yīng)試驗(yàn)熱釋放、起煙和質(zhì)量損失率第1部分：熱釋放速率(錐形量熱儀法)和產(chǎn)煙率(動(dòng)態(tài)測(cè)量)》(50 kW，10 min)測(cè)試，樣品尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。

(4)火焰蔓延。

按照ISO 5658-2：2006/Amd.1：2011《對(duì)火反應(yīng)試驗(yàn)-火焰?zhèn)鞑?第2部分：火焰在建筑物和運(yùn)輸工具垂直表面的橫向蔓延》(20 min)測(cè)試，樣品尺寸為855 mm×100 mm×10 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱釋放速率

圖1為3種材料的熱釋放速率隨時(shí)間變化曲線。可以看出MRF最快達(dá)到熱釋放速率峰值，其次是PET泡沫，RPS達(dá)到峰值所用時(shí)間最長，MRF和RPS的峰值相差不大分別為30 kW/m2與23 kW/m2，而PET泡沫的峰值卻可以達(dá)到269 kW/m2，高于前兩者10倍左右，說明燃燒時(shí)PET泡沫有著巨大的放熱危險(xiǎn)，MRF與RPS的放熱危險(xiǎn)較低。

圖1 高分子保溫材料熱釋放速率與時(shí)間的關(guān)系

2.2 煙密度

圖2為3種保溫材料的煙密度隨時(shí)間變化曲線。可以看出，MRF的發(fā)煙程度較低首先在50 s左右達(dá)到第一個(gè)煙密度峰值為49，隨后在300 s后煙密度重新開始緩慢上升在600 s內(nèi)達(dá)最大值為72。而RPS產(chǎn)煙速率很快，在55 s就達(dá)到了煙密度峰值為211，PET泡沫產(chǎn)煙稍慢但煙密度峰值是三者之中最大的為258，從產(chǎn)煙特性方面判斷RPS與PET泡沫二者均具有很大潛在火災(zāi)安全隱患。

圖2 高分子保溫材料煙密度與時(shí)間的關(guān)系

2.3 毒性指數(shù)

采用FTIR對(duì)NBS煙箱中燃燒產(chǎn)物的有毒氣體和蒸汽進(jìn)行取樣分析，檢測(cè)CO，CO2，HCN，SO2，氮氧化合物(NOX)，HF，HCl以及HBr 8種毒性氣體的含量，根據(jù)定義的火災(zāi)模型以及氣體的實(shí)測(cè)結(jié)果與基準(zhǔn)濃度之間的比例共同計(jì)算得出毒性指數(shù)(CITG)，見公式(1)。表1示出3種材料燃燒時(shí)第4 min與8 min的CITG，從表1可看出，無論是4 min還是8 min，RPS的毒性指數(shù)均為最高，具有最大的火災(zāi)毒性危險(xiǎn)，PET泡沫次之，MRF毒性指數(shù)最小，且三者在4 min，8 min的毒性差別不大，說明在產(chǎn)煙過程中毒性氣體成分一直在持續(xù)釋放。

表1 毒性指數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

式中：ci——煙室內(nèi)第i種氣體的濃度實(shí)測(cè)值，mg/m3；

Ci——第i種氣體的基準(zhǔn)濃度，mg/m3。

2.4 火焰蔓延

在外加熱輻射與引燃條件作用下，研究火焰在材料垂直表面的橫向蔓延行為，以評(píng)估列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)其火焰?zhèn)鞑?duì)火勢(shì)發(fā)展的影響，結(jié)果見表2。其中MRF表現(xiàn)出最優(yōu)異的阻燃性能，熱輻射與點(diǎn)燃條件共同作用下未能被引燃，沒有發(fā)生火焰?zhèn)鞑?。而RPS與PET泡沫則被迅速引燃，并可在材料表面持續(xù)燃燒3 min以上，其火焰?zhèn)鞑プ钸h(yuǎn)距離(D)分別為350 mm與400 mm，假設(shè)一旦發(fā)生火災(zāi)，這兩種材料會(huì)迅速燃燒，擴(kuò)大火焰蔓延范圍并加劇火勢(shì)的發(fā)展，存在極大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

表2 火焰蔓延實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.5 火災(zāi)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

雖然采取了4種不同的測(cè)試方法對(duì)材料的燃燒特征分別進(jìn)行了研究，但每種測(cè)試方法大多只能反映出材料的某一種火災(zāi)特性，燃燒性能之間的相互比對(duì)常常出現(xiàn)依據(jù)不同參數(shù)比較結(jié)果不一致的情況，而在實(shí)際火災(zāi)中火勢(shì)的發(fā)展是動(dòng)態(tài)的、多參數(shù)相互影響的過程，所以對(duì)材料的火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)也應(yīng)該是多角度多參數(shù)相結(jié)合，因此筆者通過引入AHP，建立層次結(jié)構(gòu)模型來對(duì)高分子保溫材料的火災(zāi)危險(xiǎn)進(jìn)行全面綜合的評(píng)價(jià)。

AHP由美國運(yùn)籌學(xué)家Saaty于20世紀(jì)70年代提出[17]，它將與決策相關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、指標(biāo)、方案等層次，通過數(shù)字處理與人的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷共同作用，是一種定性與定量相結(jié)合的多準(zhǔn)則、多目標(biāo)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，主要包括建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣、計(jì)算權(quán)重向量及一致性檢驗(yàn)等4個(gè)步驟。

(1)層次結(jié)構(gòu)模型。

首先將高分子保溫材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性作為目標(biāo)層，其火災(zāi)危險(xiǎn)性主要體現(xiàn)在材料的煙霧危險(xiǎn)、放熱危險(xiǎn)以及火焰蔓延危險(xiǎn)三方面，其可作為基準(zhǔn)層。煙霧危險(xiǎn)包含的煙密度與氣體毒性指數(shù)可作為煙霧危險(xiǎn)的指標(biāo)層，同理熱釋放速率、放熱總量與火焰蔓延性能可作為放熱危險(xiǎn)與火蔓延危險(xiǎn)的指標(biāo)層，因此建立層次結(jié)構(gòu)模型，其模型圖如圖3所示。

圖3 高分子保溫材料火災(zāi)危險(xiǎn)性層次結(jié)構(gòu)模型

以測(cè)得的煙密度最大值(Dsmax)和CITG(4 min或8 min中最高CITG值)代表材料的煙氣危險(xiǎn)，D代表其火焰蔓延風(fēng)險(xiǎn)，燃燒時(shí)最大平均熱釋放速率(MARHE)和總放熱量(THR)代表其放熱危險(xiǎn)，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 高分子保溫材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(2)構(gòu)造判斷矩陣。

基于軌道列車封閉結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)并結(jié)合典型的火災(zāi)事故危險(xiǎn)后果分析[18]，一般認(rèn)為煙氣毒性危險(xiǎn)性＞生煙危險(xiǎn)性＞火蔓延危險(xiǎn)性＞燃燒危險(xiǎn)性。根據(jù)上述幾個(gè)評(píng)價(jià)方面，按照9標(biāo)度法兩兩比較，由此可建立高分子保溫材料火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的判斷矩陣A。判斷矩陣的標(biāo)度及含義見表4。按照表4的標(biāo)度，將火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素重要性兩兩對(duì)比，確定相互之間的相對(duì)重要性標(biāo)度見表5。

表4 判斷矩陣的標(biāo)度及含義

表5 判斷矩陣的相對(duì)標(biāo)度值

由此可得高分子保溫材料火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的判斷矩陣A如式(1)：

(3)計(jì)算特征向量。

帶入n=5數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得：

其對(duì)應(yīng)的判斷矩陣最大特征根如式(2)：

(4)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。

判斷矩陣一致性檢驗(yàn)依據(jù)如下，CR為矩陣一致性比率，當(dāng)CR＜0.1時(shí)，判定矩陣A具有滿意的一致性。CI為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)如式(3)。

n=5時(shí)查表得隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.12，1 000次重復(fù)進(jìn)行隨機(jī)判斷矩陣特征值的計(jì)算后取算術(shù)平均值得到的1～9階RI值。

排序一致性檢驗(yàn),如式(4)。

因此判斷矩陣具有較好的一致性，可使用其特征向量作為權(quán)重向量，即可得到5個(gè)火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重值見表6。

表6 火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因素權(quán)重值

首先將表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸一化處理，每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化的實(shí)驗(yàn)值與其對(duì)應(yīng)的總目標(biāo)權(quán)重乘積相加，就可以得到每種材料的火災(zāi)危險(xiǎn)綜合指數(shù)，分值越高說明火災(zāi)危險(xiǎn)性越高，每種材料的火災(zāi)危險(xiǎn)綜合指數(shù)(THFI)見表7。

表7 高分子保溫材料火災(zāi)危險(xiǎn)綜合指數(shù)

3種材料的火災(zāi)危險(xiǎn)綜合指數(shù)分別為：PET泡沫 為0.44，MRF為0.10，RPS為0.46，可 以 看 出MRF的火災(zāi)危險(xiǎn)性最小，PET泡沫火災(zāi)危險(xiǎn)性略低于RPS，RPS的火災(zāi)危險(xiǎn)性最大。

3 結(jié)論

(1) PET泡沫、RPS和MRF的燃燒特征參數(shù)各有高低，各項(xiàng)燃燒特征參數(shù)相互比較不能準(zhǔn)確判斷材料火災(zāi)危險(xiǎn)性大小。

(2)基于層次分析法建立了高分子保溫材料火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，PET泡沫、RPS和MRF的火災(zāi)危險(xiǎn)綜合指數(shù)分別為：0.44，0.46，0.10，3種材料火災(zāi)危險(xiǎn)性由高到低為：RPS＞PET泡沫＞MRF。