热塑性聚合物建筑装修材料燃烧特性及火灾预防研究

2016-10-20 08:48王永祝
中国人民警察大学学报 2016年6期
关键词:建筑装修热塑性熔融

王永祝

(济南市消防支队,山东 济南 250101)



热塑性聚合物建筑装修材料燃烧特性及火灾预防研究

王永祝

(济南市消防支队,山东 济南250101)

热塑性聚合物建筑装修材料一旦发生火灾,后果往往比较严重。分析了近年来国内外在热塑性聚合物建筑装修材料燃烧特性方面的研究成果,结果表明热塑性聚合物装修材料具有熔融流动等特性,燃烧过程比较复杂,同时会产生毒性气体等,威胁人员生命安全。从研发防火阻燃材料等四个方面提出了热塑性聚合物装修材料的火灾预防措施。

聚合物;装修材料;热塑性;燃烧特性

0 引言

随着我国经济的快速发展和科技进步,聚合物材料被广泛应用于建筑领域,成为继水泥、钢铁、木材之后的第四大建筑材料。对于建筑物而言,在建筑内部装修中,塑料、纤维、橡胶、涂料和胶黏剂等聚合物建筑装修材料得到了大量应用。在建筑室外装修中,聚苯乙烯泡沫、硬质聚氨酯泡沫、酚醛泡沫等聚合物材料作为外墙保温材料也被广泛应用。

聚合物建筑装修材料按照热特性可分成热固性和热塑性两大类。热塑性聚合物建筑装修材料因其具有原料来源丰富、密度小、力学、电学、光学性能优良、耐腐蚀、成型加工简便、制造能耗低等优点,在建筑物中大量使用[1]。聚合物材料虽然可以通过添加阻燃剂等方法提高耐火等级,但也无法保证发生火灾后不发生燃烧或导致火灾蔓延并释放有毒气体。热塑性聚合物在施工现场存放、施工安装和日常使用均可能造成火灾。近年来,在我国热塑性聚合物装修材料引发了多起火灾事故。如2010年11月15日,上海市静安区教师公寓在外保温施工过程中引发火灾,火焰沿外保温装修材料迅速蔓延,并通过窗口进入楼层引发室内火灾,最终导致整栋建筑立体式燃烧。2009年2月9日,央视新址配楼的室外装修材料发生火灾,同样导致整栋建筑立体式燃烧,导致一名消防员牺牲,造成了巨大的经济损失。由此可见,开展热塑性聚合物建筑装修材料燃烧特性及火灾预防方面的研究,对于降低该类材料的火灾事故具有重要意义。

1 热塑性聚合物建筑装修材料的燃烧特性

热塑性聚合物装修材料燃烧过程是一个气相输运和凝聚相输运过程互相耦合的复杂过程,通常要经历热量蓄积、分解或降解和气化、着火、热传递和蔓延等过程。在外加热源的作用下,传递给热塑性材料的热量不断蓄积,温度急剧上升,材料发生分解或降解与气化,这时所得产物有可燃气体和不可燃气体,也有聚合物分裂的液体和碳化产物[2]。气化产物在这一阶段又不断气化,在氧气充足的情况下,当可燃气体达到一定浓度燃烧就有可能发生。燃烧发生后,燃烧产生的热量通过热辐射等途径传递回燃烧区域附近的聚合物,上述过程不断重复使燃烧不断继续直至燃烧条件被外界破坏。热塑性聚合物装修材料燃烧过程如图1所示。

图1 热塑性聚合物装修材料燃烧过程

从20世纪80年代末开始,国际上对各种热塑性材料的火灾蔓延规律进行了理论和试验研究。学者K.Satio和J.G.Quintiere对PMMA的向上火蔓延速率进行了初步研究;K.D. Steckler和T.Kashiwagi等人对非碳化热塑性材料受热后的气化过程提出了解析模型;J. Zhang和T.J.Shields就热塑性材料的熔融流动行为对其向上火蔓延的影响进行了初步研究,研究结果表明热塑性材料的向上火蔓延规律与热固性材料不同,材料的熔融流动行为对向上火蔓延行为有较大的影响;美国NIST的Ohlemiller利用小尺寸试验研究了聚合物黏性对其熔融流动与可燃性的影响,研究了点火源与材料底部的距离,点火源的放置高度对火灾蔓延过程的影响[2];英国Edinburg大学的Sherratt利用自建的试验装置对卷成桶状的聚乙烯薄膜进行了全尺寸火灾实验,研究了材料在这种形式下的燃烧过程与行为;美国NIST的K.Butler和M.Bockelie等人考虑热塑性材料受热的熔融滴落过程,利用粒子有限元法对热塑性材料无热解反应条件下的燃烧过程进行了模拟研究。

近年来,随着热塑性材料的广泛使用以及相关火灾事故的不断发生,国内的火灾研究学者对火蔓延规律的研究也开始从热固性材料转向热塑性材料。青岛科技大学张峰、张军[3]在早期研究的基础上,对常见的热塑性材料的燃烧行为进行了试验研究,初步分析了熔融流动对向上火蔓延规律的影响,并且提出了利用锥形量热仪确定聚合物导热系数的方法;武警学院的舒中俊等人[4]利用锥形量热仪对聚合物材料进行辐射加热,研究其热解燃烧行为,得到了评价聚合物火灾危险性的方法;中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的徐亮等人[5-6]利用ISO9705实验平台,对PP、PE、PS、PMMA等热塑性材料在敞开空间条件下的燃烧行为进行了初步试验研究。香港理工大学周允基等人[7-8]将热塑性材料固定在室内的壁面上,对腔室火灾条件下的热塑性材料燃烧行为进行了一些试验研究。

通过梳理学者们的研究成果可知,在一定条件下,热塑性聚合物材料引发或者卷入火灾后,通常会造成一系列危害,主要体现在热危害和非热危害两个方面,可分别概括为“热、烟、毒、腐”等方面:如在火灾现场释放大量热量,通过热传导、热对流和热辐射等形式将火势扩大,对人员造成灼伤或对建筑结构造成损坏[9];释放大量浓厚烟雾,干扰视线和人员疏散;产生毒性气体和窒息性产物,直接威胁人员生命安全;产生刺激性或腐蚀性产物,危害人员皮肤、眼睛等器官;燃烧时熔融滴落形成油池火,从而造成火势扩大或人员烫伤。

可见,热塑性聚合物材料在火灾条件下的燃烧行为比普通固体材料要复杂很多,它在受热时会经历降解、气化、熔融过程,从而导致固体火灾和液体火灾两种形式同时存在且相互影响,熔融流动特性也使得热塑性材料在火灾中会通过可燃液体的流动大大增加火灾的危害程度。因此,仍需要深入研究热塑性材料的熔融流动等燃烧特性行为,分析其燃烧过程中固体火灾和液体火灾的相互影响作用。

2 热塑性聚合物装修材料的火灾预防措施

从前面的分析可以看出,热塑性聚合物装修材料一旦发生火灾,后果往往比较严重,因此开展其火灾预防研究意义重大。结合前人研究成果,当前针对热塑性聚合物装修材料的火灾预防主要可以从以下四个方面采取措施:

2.1积极研发和推广防火阻燃材料

大力研发和推广聚合物防火阻燃材料,改善热塑性聚合物建筑装修材料的燃烧性能,降低其火灾危险性。其中含添加剂的聚合物材料阻燃性能研究是一个与化学研究相关的领域,国内外众多研究人员在该领域展开了广泛的研究。积极研发防火性能较好的玻璃棉、矿棉等保温隔热材料,替代热塑性聚合物建筑装修材料,从本质上降低建筑材料的火灾危险性。如矿棉吸音板、纤维石膏板、膨胀珍珠岩吸音板等轻质板材,均是替代热塑性聚合物建筑装修材料的有效办法。

2.2采取空间分隔措施

新修订并自2015年5月1日起实施的《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)要求,建筑外墙外保温系统应每层设置水平防火隔离带、空腔应在每层楼板处进行防火封堵和电气线路穿金属管进行保护等防火保护措施。这是近年来提出的用于外墙保温系统的防火构造措施,虽然国外已有一些防火构造措施应用研究,但数据仍不充分,下一步可开展外墙外保温系统防火构造措施有效性方面的研究。

2.3严格执行规范的相关规定

通过技术规范对建筑物使用热塑性聚合物装修材料进行限制。《建筑设计防火规范》对建筑内外保温系统保温材料的使用提出了严格的要求,一是所有建筑的内外保温系统严禁采用B3级保温材料;二是人员密集场所和设置人员密集场所的建筑外墙内保温系统和外保温系统均应采用燃烧性能为A级的保温材料;三是其他场所和建筑按照使用功能、建筑高度和无空腔结构、有空腔结构分别提出了明确的强制性要求。《建筑内部装修设计防火规范》(GB 50222—2015)按照建筑使用功能、建筑高度和固定消防设施设置情况分别对吊顶、墙面、隔断、地面、固定家具、窗帘幕布、装饰物品等室内装修材料提出了明确规定。

2.4广泛开展消防宣传,落实消防安全责任制

各级政府部门应加强消防宣传和以社会单位为主体的消防安全责任制的落实,充分利用报刊、电台、电视、网络新媒体等媒介广泛开展消防宣传教育工作,提高全社会的消防安全意识,构建全社会、全方位的舆论监督体系,及时曝光重大火灾隐患和消防违法行为。建设、设计、施工、工程监理、公安消防等单位要严格执行国家消防技术标准规范,对建筑装修材料的设计、施工、监督管理等所有环节全面落实消防安全责任制,从而多方合力共同推进热塑性聚合物建筑装修材料的火灾防控工作。

[1] 程旭东.受限空间内典型热塑性材料熔融流动燃烧行为研究[D].合肥:中国科学技术大学,2010.

[2] 崔嵛.竖直壁面条件下常用有机外墙保温材料的火灾行为研究[D].合肥:中国科学技术大学,2012.

[3] 张峰,张军.锥形量热仪确定聚合物材料导热系数的方法[J].高分子材料科学与工程,2008,24(5):124-127.

[4] 舒中俊,徐晓楠,李响.聚合物材料火灾燃烧性能评价——锥形量热仪试验方法[M].北京:化学工业出版社,2007.

[5] 徐亮,张和平,万玉田,等.热塑性装饰材料大尺寸火灾实验研究[J].中国科学技术大学学报,2008,38(5):563-568.

[6] 徐亮,张和平,万玉田.热塑性装饰材料点燃性能研究[J].中国工程科学,2007,9(12):39-43.

[7] CHOW W K,LEUNG C W.Necessity of testing fire behaviour of plastic materials under flashover[J].Polymer Testing,2006,25:853-858.

[8] CHOW W K,LEUNG C W,ZOU Gaowan.Flame spread over plastic materials in flashover room fires[J].Construction and Building Materials,2008,22:629-634.

[9] 钟小璇,陈曦.基于灰色关联分析法的电缆火灾危险性分析[J].安全与环境工程,2010,17(4):60-63.

(责任编辑李蕾)

A Study on Combustion Characteristics and Fire Prevention of Thermoplastic Polymer Decoration Building Materials

WANG Yongzhu

(Ji’nanMunicipalFireBrigade,ShandongProvince250101,China)

In the case of a fire, the results caused by the combustion of thermoplastic polymer decorative materials are very serious. The research results on the combustion characteristics of thermoplastic polymer decoration building materials in China and abroad are analyzed in this paper. The results indicate that the thermoplastic polymer has the characteristics of melting flow, and the combustion process shows a high complexity. Additionally, the combustion produces toxic gases, which pose a threat to the safety of life. Finally, the fire prevention and response measures of thermoplastic polymer decoration materials are suggested from four aspects, such as research and development of fire retardant materials.

polymer; decorative materials; thermoplastic; combustion characteristics

2016-04-10

王永祝(1969—),男,山东章丘人,高级工程师。

D631.6

A

1008-2077(2016)06-0066-03

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