基于锥形量热仪试验的典型线束包覆物燃烧特性研究*

崔杰　毛亚岐　吴刚　居晓宇　杨立中（.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 3006；.安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 300）



基于锥形量热仪试验的典型线束包覆物燃烧特性研究*

崔杰1毛亚岐2吴刚2居晓宇1杨立中1
（1.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 230026；2.安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230022）

【摘要】为了研究汽车典型线束包覆物的火灾危险性，采用ISO 5660锥形量热仪对2种原材料PA66、PA6以及3种典型线束包覆物成品波纹管（PP）、扎带（PA6）、热缩管（交联聚烯烃）在不同辐射通量密度下进行了辐射引燃试验，测得点燃时间和热释放速率等参数，并利用不同辐射条件下的点燃时间推算出它们的临界辐射通量密度。对5种材料火灾增长指数和火灾性能指数等多种评价参数进行了分析，结果表明，在这5种试验样品中，危险性最高的为波纹管（PP），危险性最低的为热缩管（交联聚烯烃）。

主题词：线束包覆物锥形量热仪火灾特性参数热释放速率

1　　引言

根据我国消防部门的统计［1，2］，近10年汽车火灾的首要原因是电气系统故障（占汽车火灾总数的44%），主要是由于发动机舱及排气管周围温度过高，导致附近线束包覆物及管路熔融自燃引起的。目前，很多国家已经开展了对汽车火灾燃烧特性的研究，美国、欧盟相继出台了针对汽车火灾安全的行业标准或法规，严格规定汽车各系统的火灾安全标准［3］。我国关于汽车火灾的研究还是空白，只是对汽车内部装饰材料的火灾危险性进行了研究。1987年我国出台了最早的材料燃烧测试标准GB 8410-1987《汽车内饰材料的燃烧特性》，并已经过多次修订，主要测试标准包括材料最大水平燃烧速度、内饰材料的氧指数、塑料类内饰材料烟密度等级等［4］。但我国有关发动机舱内部材料的燃烧特性参数还有待深入研究，同时也缺乏相应的汽车材料火灾评判标准及规范。

本文利用锥形量热仪对不同原材料的线束包覆物进行了测试，判断出燃烧难易程度及相应的火灾危险性，为相应汽车材料火灾评定标准的制定提供了参考。

2　　试验系统

本文中的试验样品均为汽车上的典型材料，具体参数见表1。在锥形量热仪试验中，将5种线束包覆物材料用锡箔纸包裹，仅暴露其上表面，置于样品架内，如图1所示。定义点燃时间为试验材料从暴露于辐射源下至表面有明显发光火焰的时间［5］，设定临界点燃时间为600 s，即点燃时间超过600 s则认为不燃，此时辐射通量密度小于临界辐射通量密度。在整个试验过程中辐射通量密度有25 kW∕m2、30 kW∕m2、35 kW∕m2、40 kW∕m2、45 kW∕m2，在每组辐射通量密度下进行3次试验，点燃时间取平均值。

3　试验结果与分析

锥型量热仪试验按照ISO 5660的要求进行，燃烧过程如图2所示。

3.1单位面积热释放速率

单位面积热释放速率（heat release rate，HRR）指单位面积材料燃烧在单位时间内所释放的热量［6］，是衡量材料综合火灾性能及潜在火灾危险性的一个重要参数，同时也控制和影响其他燃烧性能参数。一般来说，在小比例火灾中，HRR越高、点燃时间越短、燃烧速度越快的火灾，其危险性就越大。

图3给出了在辐射通量密度为30 kW∕m2时各样品的HRR随时间的动态变化曲线。以PA66原材料为例：样品暴露于强辐射下，导致其能量不断积聚，从而引燃，出现第1个峰值；随后进入相对稳定的阶段，此时HRR没有增加，是因为材料阻燃剂的有效保护，其形成一个绝缘炭层，阻碍热量向内传导；而第2个峰值的出现则是由于热量不断积聚导致保护层逐渐瓦解，材料快速燃烧［7，8］。由图3可知，在相同辐射条件下，扎带HRR最大，热缩管HRR较小，基本处于弱势稳定燃烧状态。不同材料因其材质及添加剂的不同，会呈现不同的热物反应，有的材料在点燃之前会出现略微的膨胀，从而导致样品表面到辐射源的距离减少，辐射通量密度相对增大，物质分解加速，从而点燃时间相对缩短。通过对比PA6的原材料与其制成的扎带可以看出，在产品制造过程中，由于有添加剂的作用，相同辐射条件下扎带的点燃时间更长，但其HRR也更大。因此，在制造过程中应选择合适的添加剂以提高材料的阻燃性能。

表2给出了各样品在辐射通量密度为30 kW∕m2条件下的点燃时间（time to ignition，TTI）、单位面积热释放总量（total heat release，THR）和单位面积最大热释放速率（peak heat release rate，PHRR）。

表2　锥形量热仪试验结果（辐射通量密度为30 kW/m2）

3.2单位面积热释放总量

图4显示了5种典型线束包覆物的THR，THR反映的是单位面积的材料在独立于外部条件（如通风条件及材料破损程度等）下所释放的内部能量，THR曲线的梯度表示火焰传播速度［9］。从图上可以看出，扎带的火焰传播速度最快、火灾危险性最大，热缩管的火焰传播速度最慢、火灾危险性最低。

3.3质量损失

图5显示了5种典型线束包覆物材料在辐射通量密度为30 kW∕m2时其质量随时间的变化过程。在燃烧过程中，部分材料的阻燃剂受热膨胀形成保护层，阻碍了传热与传质的发生，此时材料质量损失较小。该保护层可阻碍氧气扩散到基质从而延缓其燃烧，同时可降低蒸发率，但随着辐射时间的增加，该保护层逐渐瓦解，质量损失加剧，此时对应图5中曲线上的各个转折点。由图5可知，波纹管与扎带质量损失较快，而PA66原材料则相对缓慢，由于保护层的存在，前200 s内其质量损失只有10%左右，燃烧一段时间后质量才开始急剧下降。

3.4火灾危险性评价

HRR及THR是衡量火灾危险性的重要参数，但其只能反映材料一方面的特性，因此应用单一方法可能造成评价结果的不一致。为了使评价结果更具全面性，引入火灾性能指数和火灾增长指数［10］。火灾性能指数FPI 为TTI同PHRR的比值，即FPI=TTI∕PHRR。火灾增长指数FGI为材料PHRR同到达最大热释放速率时间（time to peak，TTP）的比值，即FGI=PHRR/TTP。FPI和FGI可以直接反应样品的安全等级，较高安全等级的材料需同时具备较高的FPI和较低的FGI［11，12］。图6显示了这5种典型线束包覆物的FPI和FGI，热缩管有最高的FPI和最低的FGI，因而具有较高的安全等级。由图6可知，5种线束包覆物安全等级由高到低依次为热缩管、PA66原材料、PA6原材料、扎带、波纹管。

另一种火灾危险评判方法是通过比较THR与1∕FPI之间的关系，从而判断火灾类型［13］。如图7所示，纵坐标越大表明材料燃烧越持久，横坐标越大表明材料火势增长越快。由图7可知，这5种材料发生火灾时呈现不同的火灾特性，PA66和PA6发生着火时其持续时间持久但火势增长较慢，波纹管发生火灾时其火势增长较快但持续时间短。

3.5临界辐射通量密度

临界辐射通量密度是指材料能够被引燃所需要的最小辐射通量密度。Mikkola和Wichman［14］根据固体可燃物受到外界热辐射时内部热传导状况的不同，提出了热厚型辐射点燃模型。Delichatsios［15］在此基础上，根据外加辐射通量密度的大小对模型进行修正，提出了修正模型：

式中，tig为点燃时间；κ为导热系数；ρ为材料密度；c为比热容；q0为初始外部辐射通量密度；qcr为材料临界辐射通量密度；Tig和T0分别为材料点燃温度和环境温度。

由式（1）可以看出，点燃时间的均方根倒数同外加辐射通量密度呈线性关系，因此测得5种典型线束包覆物材料在辐射通量密度为25 kW∕m2、30 kW∕m2、35 kW∕m2、40 kW∕m2、45 kW∕m2条件下的点燃时间，如表3所示，随着辐射通量密度的增加，点燃时间缩短。将点燃时间的均方根倒数和辐射通量密度作图并对其进行线性拟合如图8所示。

图8中5条拟合直线的表达式分别为：

表3　　不同辐射通量密度条件下线束包覆物的平均点燃时间

由式（2）～式（6）可以得到PA66原材料和PA6原材料以及波纹管、扎带、热缩管的临界辐射通量密度分别为8.11 kW∕m2、8.25 kW∕m2、6.48 kW∕m2、12.93 kW∕m2和8.93 kW∕m2，也就是在标准试验条件下辐射时间无限长所需要的能够点燃材料的最小辐射通量密度。临界辐射通量密度的大小表示材料在火灾中受辐射热流的影响程度，临界辐射通量密度越小，表明材料所需引燃的辐射热流小，在火灾中容易被引燃，火灾危险性相对较高。通过比较这5种典型线束包覆物的临界辐射通量密度可以看出，火灾危险性最高的是波纹管，火灾危险性最低的是扎带和热缩管。

4　　结论

a.材料HRR随时间变化的曲线可能出现1个或多个峰值。部分材料因阻燃剂的作用，点燃后HRR先达到峰值，然后维持平稳，随后由于阻燃层被破坏，HRR继续增加。

b.5种线束包覆物材料均可以被点燃，随着辐射通量密度增加，HRR增大，点燃时间缩短。在相同辐射通量密度下（30 kW∕m2）THR最多的是PA66原材料，其次是PA6原材料和扎带，热缩管THR少。5种线束包覆物的临界辐射通量密度由大到小依次为扎带、热缩管、PA6原材料、PA66原材料、波纹管。

c.5种线束包覆物火灾安全等级由高到低依次为热缩管、PA66原材料、PA6原材料、扎带、波纹管。PA66和PA6原材料点燃后持续时间较长但火势增长较慢，波纹管发生火灾时其火势增长快但持续时间短。

d.通过PA6原材料与其制成的扎带对比发现，PA6原材料HRR低但THR多、燃烧持久，扎带临界辐射通量密度大，较难引燃，但引燃后危险性高。因此，在制造过程中应选择合适的阻燃剂降低其火灾燃烧性能。

e.在材料选择上，应尽量选择放热量小、临界辐射通量密度大的材料，如交联聚烯烃。

参考文献

1李海江.机动车火灾统计与分析.中国公共安全：学术版，2013（4）：51～53.

2杜建华，张认成，丁环，等.汽车火灾探测研究现状及发展趋势［J］.消防科学与技术，2012，31（4）：436-439.

3Smith J.Wildland fire risk assessment system：A new tool for fire prevention.Forest Landowner，2004，63（1）：44～46.

4匡龙.汽车内饰材料燃烧测试简述及发展趋势.科技资讯，2013（21）：77-78.

5付丽华，张瑞芳，石龙.基于锥形量热仪试验的卷烟及其包装材料燃烧特性研究.火灾科学，2009，18（1）：20～25.

6彭小芹，刘松林，卢国建.材料热释放速率的试验分析［J］.重庆大学学报（自然科学版），2005，8：030.

7Chen X，Jiao C.Flame retardancy and thermal degradation of intumescent flame retardant polypropylene material.Polymers for Advanced Technologies，2011，22（6）：817～821.

8Tsai K C.Orientation effect on cone calorimeter test results to assess fire hazard of materials.Journal of hazardous materials，2009，172（2）：763～772.

9Almeras X，Le Bras M，Hornsby P，et al.Effect of fillers on the fire retardancy of intumescent polypropylene compounds.Polymer degradation and stability，2003，82（2）：325～331.

10Schartel B，Hull T R.Development of fire-retarded materials—Interpretation of cone calorimeter data.Fire and Materials，2007，31（5）：327～354.

11Fang S，Hu Y，Song L，et al.Mechanical properties，fire performance and thermal stability of magnesium hydroxide sulfate hydrate whiskers flame retardant silicone rubber. Journal of Materials Science，2008，43（3）：1057～1062.

12Jiao C，Chen X，Zhang J.Synergistic effects of Fe2O3with layered double hydroxides in EVA∕LDH composites.Journal of fire sciences，2009，27（5）：465～479.

13Schartel B，Braun U，Schwarz U，et al.Fire retardancy of polypropylene∕flax blends.Polymer，2003，44（20）：6241～6250.

14Mikkola E，Wichman I S.On the thermal ignition of combustible materials.Fire and Materials，1989，14（3）：87～96.

15Delichatsios M A，Panagiotou T H，Kiley F.The use of time to ignition data for characterizing the thermal inertia and the minimum（critical）heat flux for ignition or pyrolysis.Combustion and Flame，1991，84（3）：323～332.

（责任编辑斛畔）

修改稿收到日期为2016年1月25日。

中图分类号：U463.62；O643.2+1

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）06-0032-04

*基金项目：国家自然科学基金项目（51323010）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（WK2320000033）。

通讯作者：杨立中，男，教授，博士生导师，主要从事汽车火灾等方面的研究，yanglz@ustc.edu.cn。

Combustion Characteristic of Typical Wire Coating Based on Cone Calorimeter

Cui Jie1，Mao Yaqi2，Wu Gang2，Ju Xiaoyu1，Yang Lizhong1
（1.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026；2.Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230022）

【Abstract】To study the fire properties of the typical wire coating materials of automobile，we use ISO 5660 cone calorimeter to make radiation ignition test on two raw materials PA66 and PA6，and three different wire coating materials of PP，PA6 and XLPO under different radiation flux densities，to get parameters like ignition time，heat release rate（HRR），and use ignition time at different radiation conditions to calculate their critical radiation flux density.Through analysis of fire grow index（FGI），fire performance index（FPI）and other evaluation parameters，we conclude that PP has the highest fire risk while XLPO has the lowest fire risk.

Key words:Wire coating materials，Cone calorimeter，Fire properties，Heat release rate