室内装饰织物燃烧特性研究

●郑毛毛,张 平

(武警学院 研究生队,河北 廊坊 065000)

0 引言

织物自古就与人类的生活息息相关,到了近现代,随着经济技术的飞速发展,室内装饰织物也在人类的居室生活中起着越来越重要的作用,不仅让人类过得更舒适,也让室内环境更美观。任何事物都有两面性,织物在给人类的居室生活带来舒适、美观的同时,也带来了潜在的火灾危险性[1]。因而,对室内装饰织物燃烧特性的研究就显得至关重要。以耗氧原理为基础的锥形量热仪(CONE)能客观地评价真实火灾中材料的燃烧性能,CONE的燃烧环境极相似于真实的燃烧环境,其试验结果与大型燃烧试验结果之间存在很好的相关性,能够表征出材料的燃烧特性,在材料评价、材料设计和火灾预防等方面具有重要参考价值[2]。本文利用锥形量热仪对帆布、棉麻、泡纱等几种室内装饰织物在不同热辐射强度下的点燃时间、燃烧热释放速率、质量损失速率和发烟量等燃烧特性进行了研究,并比较了各类织物的火灾危险性。

1 实验部分

1.1 实验仪器及样品制备

实验仪器为 FTT-Dualcone锥形量热仪(英国产)。实验样品：条绒(TR)、棉麻 (MM)、泡纱 (PS)、涤纶(DL)、帆布(FB)。样品制备：将各类织物裁剪成 100mm×100mm尺寸,厚度取 5mm。

1.2 实验原理

锥形量热法[3]采用耗氧原理[4]测量材料的热释放速率。所谓的耗氧原理就是：材料燃烧时消耗单位氧气所释放的热量基本相等。这一原理由 Thornton在 1918年发现,并由 Huggett在 1980年通过应用这一原理对常用易燃聚合物及天然材料进行了系统计算,得到了耗氧燃烧热(E)的平均值为 13.1 kJ·g-1O2±5%,建筑业和商业中普遍使用的大多数塑料和其他固体材料都遵循这一原理[5]。在实验过程中,将材料燃烧的所有产物收集起来并经过一个排气管道,气体经过充分混合后测出其质量流量和组分。测量时至少要将 O2的体积分数测出来,计算出燃烧过程中消耗氧气的质量,运用耗氧原理,就可以得出材料燃烧过程中的热释放速率,目前的氧分析仪灵敏度已达到了 2×10-5,对一般的燃烧过程,该灵敏度能够满足氧浓度测定准确度要求[6]。

1.3 实验过程

使用锥形量热仪要采用标准方法[7]进行操作。点火及观察实验时,操作员应该看一下指示表上的读数,确信其值和实验样品值一样,如果看到难以置信的读数,应停止实验或者重新调节承重构件,整个实验过程都需要观察样品,操作员应该查找：分片下落;滴水;过度膨胀(样品不应该过分的膨胀以致污损仪器的金属部件);碎片爆炸;其他反常的行为。如果观察到上述现象,应当正确记录。在实验中千万不要吹样品,这种行为将使热释放速率曲线不规则。实验结束后,确保宣布燃烧结束以后再收集附加两分钟的实验数据,继续操作分析器 10min,关泵,关掉所有的钢气瓶。关掉量热仪排风管,确保所有被测样品都已熄灭,这样就完成了实验。数据处理以ASTM E1354/ISO5560为准绳,大部分数据是利用计算机软件进行数据推导直接获得的,其他各项也都按标准输入到了测试文件的目录中。

1.4 实验注意事项

在实验中,将样品用铝箔包裹其背面和侧面以减少质量损失。为了保证平表面燃烧,用不锈钢网栅夹住试样。实验时,试样的背部垫有一种厚13mm,密度为 650kg·m-3热阻很大的陶瓷纤维毯以保证标准背面热边界条件。为了能较好反映实际火灾中的热辐射变化,本文试验采用的热辐射强度分别为 25、35kW·m-2,对比几种样品的燃烧性能。

2 实验结果与讨论

2.1 点燃时间

点燃时间(Ignition Time,IT)是指样品从开始受辐射加热起,到其暴露面上方在电火花作用下出现持续火焰所经历的时间。点燃时间是判断材料火灾危险性的一个重要参数。样品的点燃时间越短,就越容易被点燃,火焰也越容易向周围物质扩散,火势蔓延的速度就越快,因而材料的火灾危险性越大。通过锥形量热仪对几种材料进行实验测得的点火时间见表 1。从表 1数据可以直观地发现：辐射强度增大,各个样品的点燃时间明显减小,说明辐射热强度越高,样品越容易被点燃。在相同的辐射热条件下,由于泡纱质地疏松,单位面积与氧气接触面积较大,点燃时间最短;帆布结构最为密实,因而在相同辐射热强度下,其点燃时间最长;棉麻、条绒、涤纶等材料结构密实程度相近,点燃时间相差不多。

表1 实验样品在不同辐射热强度下的点燃时间

2.2 热释放速率

热释放速率(Heat Release Rate,HRR)是指单位时间内材料单位面积燃烧时所释放的热量,它被认为是火灾发展过程中衡量材料火灾危害程度最重要的参数,是评价其燃烧性能的最重要指标之一,其重要性在于它控制和影响了其他燃烧性能参数。锥形量热仪可给出材料燃烧过程的 HRR随时间的动态变化,且实验中材料的热释放速率与实际房间内火灾过程中的热释放速率有较好的一致性。

热释放速率峰值和平均热释放速率是研究热释放速率的两个重要指标。热释放速率峰值的大小表征了材料燃烧时的最大热释放程度。平均热释放速率的大小则表征了材料燃烧过程中的平均热释放程度。平均热释放速率越大,说明这种材料燃烧得越猛烈。

表 2列出了各种材料在热辐射强度为 35kW·m-2和 25kW·m-2时的燃烧热释放速率峰值和平均热释放速率(kW·m-2)。从表 2中的数据可以看出：对于每种实验材料,通常情况下热辐射强度越高,其热释放速率峰值越大,平均热释放速率也越高,反之,热辐射强度越低,各种材料的热释放速率峰值和平均热释放速率也越低。这与理论相符合：当热辐射强度较高时材料单位时间内接受的辐射热越多,当其开始燃烧后,由于外界温度较高,因而材料与外界进行对流换热所损失的能量也越少,从而有更多的热量来加热自身,使燃烧速度加快,热释放速率峰值也就越高。同时,材料的质量一定,完全燃烧后的总释放热量也就一定,燃烧越快,其燃烧时间就越短,平均热释放速率就越高。从表 2中可以得到,在热辐射强度为35kW·m-2时,涤纶材料的热释放速率峰值最高,其峰值达到 143.7kW·m-2,条绒的热释放速率峰值最低,其峰值仅为 60.1kW·m-2,帆布、泡纱、棉麻的热释放速率峰值依次为：103.5、100.3、90.7kW·m-2。在热辐射强度为 25kW·m-2时,依然是涤纶材料的热释放速率峰值最高,其峰值为 126.3kW·m-2,条绒的热释放速率峰值最低,其峰值仅为 58.6kW·m-2,帆布、泡纱、棉麻的热释放速率峰值依次为：102.5、100.0、88.5kW·m-2。图 1与图 2是在辐射热强度分别为 35和 25kW·m-2时5种实验材料的热释放速率对比图。

表2 实验样品在不同辐射热强度下的热释放速率峰值和平均热释放速率

图1 材料在热辐射强度为 35时的热释放速率

图2 材料在辐射热强度为 25时的热释放速率

2.3 质量损失速率

质量损失速率(Mass Loss Rate,MLR)是指材料在燃烧时质量损失的变化速度,它反映样品在特定实验热辐射条件下的热裂解、挥发及燃烧程度,是衡量物质火灾危险性的重要因素。质量损失速率越大,说明材料越容易燃烧,这样的材料在真实的情况下,其火焰传播速度也就越快,火灾危险性就越大。在较高的热辐射强度下,材料发生燃烧后在单位时间内与外界通过对流换热散失的热量较少,燃烧放出的热量更多的用来加热自身,使自身燃烧速度加快,质量损失速率也就越快,表 3中的数据说明了这一点。

表3 实验材料在不同热辐射强度下的平均质量损失速率

一般地,对于同一种材料,质量损失速率越快,热释放速率也越快。对于不同的材料,由于燃烧单位质量材料释放的热量不同,因此,质量损失速率越快,不一定热释放速率也越快,表 3给出了实验中几种材料的平均质量损失速率,结合表 2中给出的各个材料的平均热释放速率,可以发现,涤纶的平均热释放速率高于泡纱的平均热释放速率,而泡纱的平均质量损失速率高于涤纶的平均质量损失速率。

2.4 发烟量及烟气毒性

烟气粒子对可见光是不透明的,有完全的遮蔽作用。烟气一般集中在疏散通道的上部空间,导致人员看不清周围的环境,辨认目标和疏散逃生的能力大大降低。据统计,近年来建筑火灾中丧生的人,80%以上是吸入了火场有毒烟气而死。因而,对烟气生成量及烟气毒性的研究是研究试样燃烧性能的一个重要因素。锥形量热仪通过比消光面积来衡量材料的发烟量。比消光面积是消耗单位质量样品产生的烟气量,可衡量烟气的遮光性[8]。表 4给出了 5种实验材料在辐射热强度为 25和 35kW·m-2时的平均比消光面积。

可燃物燃烧释放出的烟气导致火场人员窒息和中毒是火灾致死的主要因素之一。烟气中的毒气以CO最为常见,当空气中 CO的含量超过一定量就会对人体产生伤害。因此 CO生成率也是衡量材料火灾危险性的重要参数。表 5给出了 5种实验材料在辐射热强度为 25和 35kW·m-2时的 CO生成速率的峰值和平均值(kg·kg-1)。从表中可以看出,各种样品的 CO生成量随着热辐射强度升高而变小,仅泡纱材料少有偏差,这是由于在较低的热辐射强度下,材料燃烧不充分,CO生成量就大,而泡纱则因为在较高的辐射热强度条件下燃烧速度过快,氧气来不及供给,材料燃烧不充分,故在较高热辐射强度下CO生成量大。

表4 实验材料平均比消光面积

表5 实验样品 CO生成量峰值和平均值

3 结论

利用锥形量热仪在辐射热强度为 25和 35kW·m-2的条件下对 5种实验材料的燃烧性能进行了实验研究,分析比较了它们的火灾危险性,得出了以下结论：热辐射强度越高,5种实验材料的点燃时间越短,燃烧热释放速率越大,质量损失速率越大,比消光面积及 CO生成量则因材料而异。在一定的热辐射强度范围内,帆布和条绒随热辐射强度的升高,其比消光面积变小,泡纱、棉麻、涤纶的比消光面积则随热辐射强度的升高变大;泡纱的 CO生成量随热辐射强度的升高而增大,其他材料的CO生成量随热辐射强度的升高而减少。

[1]Wong Chelsia Ruth.Contribution of Upholstered Furniture to Residential Fire Fatalities in New Zealand[R].Fire Engineering Research Report,2006：18-19.

[2]王庆国,张军,张峰.锥形量热仪的工作原理及应用[J].现代科学仪器,2003,(6)：36-39.

[3]BABRAUSKASV.Development of the cone calorimeter— — A bench scale heat release rate apparatus based on oxygen consumption[J].Fire and Materials,1984,8(2)：81-85.

[4]HUGGETT C.Estimation of rate of heat release by means of oxygen consumption measurement[J].Fire and Materials,2000,4(2)：61-66.

[5]康茹,尤杰,乙华,等.室内装修材料的锥形量热仪的对比研究[J].消防技术与产品信息,2006,(5)：17-19.

[6]王许云,张军,张峰,等.应用锥形量热法评价聚合物复合材料热释放速率[J].复合材料学报,2004,21(3)：162-166.

[7]ISO Standard 5660-1,Heat Release Rate from Building Products(Cone Calorimeter Method)[S].Geneva：The International Organization for Standardization,1993.

[8]ASTM E 1354292,Standard Test Method for Heat and Visible Smoke Release Rates for Materials and Products Using an Oxygen Consumption Calorimeter[S].1993.