乳胶泡沫引火位置对火蔓延特性的影响

郭晨宁，黄冬梅,2，张明振，赵玉法



乳胶泡沫引火位置对火蔓延特性的影响

郭晨宁1，黄冬梅1,2，张明振1，赵玉法3

（1中国计量大学质量与安全工程学院，浙江杭州 310018；2浙江省家具检测技术研究重点实验室，浙江杭州 310018；3喜临门家具股份有限公司，浙江绍兴312000）

利用自行搭建的小尺寸实验平台，开展了对不同点火位置的乳胶泡沫材料燃烧过程的对比实验，通过对火蔓延过程中的部分重要参数（如最大火焰高度、火蔓延速度和蔓延过程中样品表面温度变化等）的测定，分析了点火位置不同时，乳胶泡沫材料的火蔓延特性。结果表明：边缘点火和中间点火条件下，最大火焰高度分别为397和491 mm，火蔓延速度分别为1.8和0.97 mm·s-1；边缘点火时的乳胶泡沫材料表面火蔓延过程中的温度低于中间点火情况下。

火蔓延；泡沫；形态；温度分布

引 言

因天然乳胶（NR）泡沫材料具有较强的回弹力性、良好的透气性、防螨杀菌、促进睡眠、健康环保等优点，已被广泛作为高端床垫的填料。随着社会的进步、经济的发展，人民生活水平的提高，对生活品质的要求越来越高，高端天然乳胶床垫已被众多消费者认可和使用。乳胶泡沫材料是由乳胶发泡而成的高分子化合物，其主要存在的聚合物为苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（styrene-butadiene block copolymer），通过电镜扫描得到的SEM图像发现其结构形态为三维网状[1]，如图1（a）所示。其极限氧指数约为18.6%[2-3]。除此之外，为提高乳胶泡沫的透气性以及人们使用时的舒适度，乳胶泡沫制作时表面有均匀分布的气孔，如图1（b）所示。这些气孔虽然增加了乳胶泡沫的比表面积和透气性，但是一旦发生火灾，将极大程度地促进火势的蔓延、增加燃烧的充分性，火灾时，如果床垫处于良好的通风条件下，将造成巨大的人员伤亡和财产损失；除此之外，发泡而成的高分子材料具有较快的火蔓延速率，使得人员的逃生时间受到限制。因此研究乳胶泡沫水平火蔓延特性，有利于从本质上揭示三维网状加气孔乳胶泡沫材料的火蔓延影响规律，可为乳胶泡沫阻燃技术的研究以及研究其他工况条件下泡沫材料火蔓延行为提供理论依据，为控制和预防乳胶床垫火灾的发生和发展提供数据支撑，对减少火灾发生后人员伤亡和经济损失具有极其重要的意义。

近年来，越来越多的科研工作者展开了对泡沫材料火蔓延特性的研究[4-5]，Prasad等[6]通过数值模拟对聚氨酯泡沫材料的传热机理进行了研究；Lie[7]通过实验研究了可发性聚苯乙烯板(ESP)和聚氨酯泡沫在空心墙中的火蔓延规律，得出了保温材料在不同空气间隙情况下的火蔓延速度大小；Quintiere[8]，Williams[9]和De Ris[10]对保温材料火蔓延过程中的传热机理进行了研究，依此提出了预测火蔓延速率模型；随后，Bhattacharjee等[11]通过对热厚性材料燃烧速率的研究，弥补了De Ris对热厚性材料逆流火蔓延模型假设的不足。

泡沫材料的火蔓延规律受外部环境（风速、压力）、样品摆放角度、点火方式以及样品尺寸等因素的影响，因此众多科研工作者对此展开了研究[12-19]。如Wu等[12]通过研究风速和环境温度对样品材料火蔓延过程燃烧速率的影响，发现风速较低时样品的着火时间基本不受环境温度的影响，而火蔓延速率随着风速的增大而减小，随着环境温度的升高而增大；黄新杰等[13]通过对不同压力环境下一系列保温材料的研究发现，火蔓延速度受环境压力的影响，环境压力越小火蔓延速度越小；Wang等[14]通过对不同点火位置条件下竖直放置的聚合物开展研究，研究发现点火位置对燃料的热释放速率、最高放热率、烟气温度、烟气生成和烟气毒性均有明显的影响。Li等[15]和Drysdale等[16]通过对不同尺寸的样品进行实验研究发现，随着样品宽度的增加火蔓延速率增大。Jiang等[17]、Huang等[18]和Zhang等[19]通过对不同尺寸的样品进行实验研究发现，火蔓延过程中的最大平均火焰高度、平均最大火焰温度以及火蔓延速率均受到样品宽度的影响。

综上所述，前人对泡沫材料的火蔓延特性开展了研究，但是对于水平放置的样品在不同点火位置条件下，表面存在气孔的乳胶泡沫材料表面火蔓延行为的研究较少。基于此，本文利用自行搭建的小尺寸实验平台，以乳胶泡沫为研究对象，研究边缘点火和中间点火时乳胶泡沫表面火蔓延特征。为火场救援工作的进行提供理论支撑，为乳胶泡沫材料阻燃性能的研究提供数据基础。

1 实验系统

1.1 实验台设计

实验采用自行搭建的小尺寸实验平台，实验装置如图2所示，该实验装置主要由两部分组成：①实验台系统由实验架和石棉板组成，实验架周围有边框，在边框上放置尺寸为60 cm×60 cm×5 cm的隔热石棉板，边框的尺寸为60 cm×60 cm；②火蔓延特性测量系统包括热电偶、摄像机以及数据采集系统，热电偶测量乳胶泡沫材料燃烧过程中表面温度变化，摄像机记录乳胶泡沫材料燃烧过程中火焰形态的变化，利用数据采集系统收集并存储燃烧过程中乳胶泡沫材料的表面温度的变化。

热电偶采用的是直径为1 mm的K型不锈钢铠装热电偶，其测量范围为-200～1300℃，测量精度为0.67%～0.89%。实验中，为了测量乳胶泡沫燃烧过程中表面温度的变化，在样品的表面布置了一定数量的热电偶，具体布置如图3所示。在样品的正中间布置1个热电偶T45，以此为中心沿材料对角线方向分别布置两个热电偶，编号分别为T53、T52、T64、T61；沿平行线方向布置两个热电偶，编号为T43、T32，如图3所示。

数据采集系统是由3块7018数据采集模块和1块7052转换模块组成。7018采集模块利用USB接口与计算机相连，以便于进行数据的实时观测和储存。

设置了两台高清摄像机，摄像机a与样品表面呈45°拍摄，摄像机b与样品表面平行。实验中利用高清摄像机实时记录火焰形态的变化过程，为便于后期图片的处理，在试样表面用黑色记号笔将乳胶泡沫材料每隔5 cm画平行线，将乳胶平均分成数个边长为5 cm的正方形小块，如图3中的网格。不仅有利于火焰前锋的定位，而且可以确定图片空间和实物空间的比例尺，便于火焰高度的测量。基于此，可以利用相关的图像处理软件获取火焰形态特征参数，如火焰高度、火焰宽度等。

1.2 实验准备和实验条件的设计

为了研究不同点火位置对乳胶床垫表面火蔓延特性的影响，本文选取天然乳胶泡沫材料为研究对象。试样尺寸为25 cm×25 cm×2 cm。乳胶泡沫在火蔓延过程中，材料的密度、含水量、气孔的分布等都是影响火蔓延特性的关键因素，因这些参数不在本文的研究范围内，为减少实验结果的误差，本文所选取的试样均是从同一块乳胶泡沫材料上裁剪下来的，且气孔的位置分布一致，以减少不可控参数对试样燃烧特性的影响。实验开始前，将样品放置在真空干燥箱里干燥24 h，干燥后取出放置在石棉板上后，用高速气流冲吹样品表面，清除样品表面的杂质与灰尘，并校准热电偶[20]。因边缘点火和中间点火是不同点火距离材料中心的两种极端情况，因此，实验场景设置为点火位置为边缘点火、中间点火，其他条件相同。为了实验的准确性，每组实验做两次，以0 s为点火时刻。

2 结果与讨论

2.1 火焰形态

乳胶泡沫是由乳胶发泡而成的高分子化合物，燃烧过程可分为热量的吸收、热分解与挥发、着火、热量传递和火蔓延等5个阶段[21]。材料受热之后会发生热解，析出挥发性产物，同时热解发生还会形成非挥发性的固体残留物。乳胶泡沫燃烧时的火焰形态是在周围流场的作用下可燃物质与氧化剂化学燃烧反应的结果，火焰形态可以直观地反映火蔓延过程中的燃烧特性，在燃烧过程中，由于空气的卷吸作用使得火焰不断脉动。

为了研究不同点火位置不同时间的火焰形态的变化规律，对视频图像进行处理，选取出不同点火位置对应的不同时刻典型的火焰形态帧图像，如图4。边缘点火时，火焰随着时间的增加朝着乳胶泡沫表面前方未燃区蔓延，材料表面火蔓延形状近似为三角形，如图4中边缘点火120 s图片所示，在高度上方呈锯齿状，存在多个连续峰谷；中间点火时，火焰随着时间的增加朝着乳胶泡沫表面四周未燃区蔓延，火焰呈圆锥形，高度方向上火焰近似矩形，火焰高度上方火焰形态较为平和，只有一个峰谷。

根据实验记录燃料燃烧过程的视频图像，将整个火焰的传播过程分为点火（从点火时刻开始直至火焰蔓延至整个材料表面）、稳定燃烧（从点火阶段结束时刻开始到火焰蔓延至乳胶材料表面）和熄火（从稳定燃烧阶段结束时刻直至材料表面火焰熄灭）3个阶段，其燃烧过程与火灾的发展过程相同[9]，不同点火位置火焰蔓延过程的每个阶段的持续时间见表1。

表1 不同点火位置条件下各阶段持续时间

2.2 火焰高度

根据前人的研究成果可知，水平火蔓延过程中的火焰高度可以定义为试样表面与火焰最上端的垂直距离[22]。依此，测量了边缘点火和中间点火情况下不同时刻火焰的最大高度，根据实验过程中录制的火蔓延过程，利用图像处理软件提取10帧/秒的图像，利用自行编程的MATLAB程序测量火焰高度，如图5所示。根据表1可知，燃烧过程分为3个阶段。点火阶段，火焰蔓延的面积以及产生的能量较小，限制了火焰的高度，因此火焰高度较低。边缘点火时，乳胶泡沫材料燃烧60 s之后，火焰高度达到稳定状态，在240 mm左右波动，在199 s时，随着火势的蔓延，火焰面积增大，火焰蔓延至整个乳胶材料表面，同时燃烧的剧烈程度也随之增大，使最大火焰高度达到峰值为397 mm。同理对中间点火时的火焰高度进行分析，亦有相似的规律，随着火蔓延面积的增大，燃烧达到稳定后，火焰高度达到最大约为491 mm，之后由于燃料逐渐燃尽，火焰高度开始下降，燃烧转为熄火阶段。

由图5可知，在燃烧的点火初期边缘点火和中间点火的火焰高度相差不大，可能因为在点火初期点火位置对火焰高度的影响较小；在燃烧的稳定阶段边缘点火的火焰高度低于中间点火的火焰高度，这是因为中间点火时整块乳胶材料都达到了充分燃烧的状态，而边缘点火时，火焰蔓延至整块乳胶材料时，先着火的一侧乳胶材料已燃尽。在熄火阶段边缘点火的火焰高度高于中间点火的火焰高度，这是因为中间点火在熄火阶段中间的乳胶材料逐渐燃尽，边缘地界的乳胶材料燃烧，边缘点火时，先着火一侧的乳胶材料逐渐燃尽，后着火一侧的乳胶材料逐渐燃烧，如图4。

2.3 火蔓延速度

火焰前锋的位置随时间的变化情况是衡量火蔓延速度的重要依据。因此，本文利用图像法来确定火焰前锋的位置，即利用布置在火焰前方与试样上表面平齐的高度且垂直于火蔓延方向的摄像机拍摄到的图像，结合软件测量并计算火焰前锋随时间变化的情况。图6所示为不同点火位置火焰前锋位置随时间变化的曲线。

由图6可知，边缘点火和中间点火的情况下，火焰前锋位置与火蔓延时间近似呈线性关系，斜率为火蔓延速度，即火蔓延速度不随时间的增加而改变。其中边缘点火火蔓延的速度为1.8 mm·s-1、中间点火的火蔓延速度为0.97 mm·s-1。在常温常压下EPS泡沫材料的火蔓延速率在宽度为10 cm左右时，达到最小值约为3.5 mm·s-1 [18]，而硬质PU泡沫材料的表面火蔓延速率在宽度为4 cm时最小，约为2.4 mm·s-1 [23]，且随着宽度的增大火蔓延速率增大，与之相比天然乳胶泡沫材料具有较小的危险性。边缘点火的火蔓延速度大于中间点火，是因为边缘点火时，火焰的两侧沿着边缘向未燃区域蔓延，由于边界反应，边缘处具有更强的卷吸作用，使氧气的供给更加充分，因此火蔓延的速度大于中间点火的火蔓延速度[24]。固体表面火蔓延速率f如式（1）[25]

(2)

式中，f,e为边缘点火时火蔓延速率；f,c为中间点火时火蔓延速率；ph,e边缘点火时预热区长度；ph,c为中间点火时预热区长度；由式(2)可知，火蔓延传播速率与预热区长度呈正比[26]，边缘点火时的传播速率近似为边缘点火时的1.856倍，因此，边缘点火时的火蔓延预热区尺寸大于中间点火时的预热区长度。

2.4 温度变化

固体燃料燃烧表面温度的发展规律是研究固体燃料燃烧特性的重要指标之一。通过对其发展规律的研究，可以更好地指导火灾的扑救，降低火灾带来的经济损失和人员伤亡。图7为乳胶燃料燃烧过程中的引火点的温度变化率。其中，T61测点和T45测点分别为边缘点火和中间点火情况下的点火位置。乳胶材料表面火蔓延的过程如图8所示。火蔓延的过程主要包括4个部分：未燃区、预热区、热解区和已燃区[21,23-24,27-29]。图9为乳胶泡沫材料表面温度随时间的变化曲线。由图7和图9可知，火蔓延传播过程与聚氨酯等泡沫材料相近[25]，乳胶泡沫材料的边缘点火的点火时间约为18 s，中间点火的点燃时间约为14 s。

由图7（b）和图9（b）可知，中间点火时，点火瞬间乳胶表面温度迅速增加至98℃，之后温度略有下降，这是因为乳胶泡沫处于燃烧的初始阶段，此阶段，材料开始热解阴燃，阴燃前锋产生的残留碳氧化产生的热量比材料本身氧化释放热量多很多，因此当乳胶泡沫表面由阴燃向明火转变之后，乳胶泡沫表面温度略有下降。而其他测点无变化，是由于点火时间较短，火焰产生的热量尚未波及；但是，边缘点火时，点火初期并未出现点火位置处温度先上升后下降的现象。

无论是边缘点火还是中间点火，在乳胶泡沫稳定燃烧阶段，温度呈周期性波动变化，即乳胶泡沫的温度随着燃烧时间的增长而增大，达到最大温度后又下降，周而复始，直至燃料燃烧进入衰减阶段。这是由于，乳胶泡沫材料向四周未燃区蔓延时，未燃区材料的热解需要大量的热量[1]，同时乳胶泡沫的燃尽需要一定的时间，所以这种周期性的变化持续一段时间。随着燃烧的进行，燃烧进入衰减阶段，无论是边缘点火还是中间点火，温度都逐渐降低，直至燃料燃尽。

由图9可知，中间点火的峰值温度区间宽度大于边缘点火时，且随着时间变化出现多个峰值。产生这种现象的原因可能是，由图8可知，边缘点火时，随着火焰的向前传播，当热解面接近热电偶时，热电偶温度缓慢上升，直到达到稳定燃烧阶段，温度到达最大值，当测点处于熄火阶段时，测点处（已燃区）的碳化层暴露于空气中，此时测点受到的热辐射和热对流为(″f,c+″f,r)e；中间点火时，当测点处于熄火阶段时，测点处（已燃区）的碳化层包含于火焰面中，此时受到的热辐射和热对流为(″f,c+″f,r)c，直至整块乳胶泡沫材料达到熄灭阶段，温度逐渐降低，可以明显看出(″f,c+″f,r)e<(″f,c+″f,r)c。

3 结 论

本文利用自行搭建的小尺寸实验平台，以乳胶泡沫材料为研究对象，研究不同点火位置下的火焰形态、最大火焰高度、火焰蔓延速度等火蔓延规律，通过对比分析，得出以下主要研究结论。

（1）边缘点火时最大火焰高度397 mm要小于中间点火时的最大火焰高度491 mm。边缘点火时燃料表面的燃烧产生的温度低于中间点火燃料表面的温度。

（2）边缘点火时的火蔓延速率1.8 mm·s-1大于中间点火时的火蔓延速率0.97 mm·s-1。

（3）边缘点火时峰值温度宽度大于边缘点火时，且边缘点火时，温度随着时间变化出现多峰现象。

影响乳胶泡沫材料火蔓延特性的因素有很多，包括点火位置、通风条件、试样厚度、试样的大小等，本文主要针对不同的点火位置对乳胶泡沫材料火蔓延特性的影响展开了研究，在以后的工作中，将继续开展其他因素对乳胶泡沫火蔓延特性的影响规律的研究。

符 号 说 明

cp——比定压热容，JˑK-1ˑkg-1 k——热导率，WˑK-1ˑm-1 q″f——热通量，W·m-2 Tp——点燃温度，K Ts——环境温度，K Vf——火蔓延速率，m·s-1 δph——预热区长度，m ρ——密度，kgˑm-3 下角标 c——对流，中间点火 e——边缘点火 f——火焰 p——热解前锋 r——辐射 s——表面

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Effect of ignition position on flame spread of natural rubber latex foam

GUO Chenning1, HUANG Dongmei1,2, ZHANG Mingzhen1, ZHAO Yufa3

(1College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, Zhejiang, China;2Key Laboratory of Furniture Inspection Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310018, Zhejiang, China;3Xilinmen Furniture Co.,Ltd., Shaoxing 312000, Zhejiang, China)

Natural rubber (NR) latex foam is a typical cellular structure material manufactured by liquid latex compounds and has three dimension porous network structures. This kind of material has tremendous fire hazard because it is easily ignited and flame spreads extremely fast after ignited. Ignition position is one of the most important factors to determine the fire behavior of horizontal material. The aim of this study was to investigate the fire behavior of NR latex foam under center and edge ignition positions to provide the basic data for fire hazard evaluation of enclosure fire. Two types of experiments with center and edge ignition positions were carried out in a small-size flame spread experiment bench. The sample size was 25 cm×25 cm×2 cm with 6 mm diameter hole distribution in it. The temperature both on and above the sample surface and the flame front position were monitored during the experiment. The fire process was also recorded in horizontal and an angle of 45° to the horizontal direction. Then the flame height and flame spread rate were estimated. The results show that the maximum flame heights during the edge and center ignition condition test are 397 and 491 mm, respectively. The flame spread rates under the two ignition positions condition are 1.8 and 0.97 mm·s-1, respectively. And the flame temperature under the edge ignition condition test is lower than that of the center ignition test.

flame spread; foam; morphology; temperature distribution

10.11949/j.issn.0438-1157.20170347

X 932

A

0438—1157（2017）09—3623—08

2017-04-05收到初稿，2017-06-27收到修改稿。

黄冬梅。

郭晨宁（1993—），女，硕士研究生。

浙江省自然科学基金项目（17E060004）；浙江省大学生科研团队项目（2016R409047）；国家自然科学基金项目（51306168）。

2016-04-05.

HUANG Dongmei, 20021567@163.com

supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province (17E060004), Zhejiang Undergraduate Research Team Project (2016R409047) and the National Natural Science Foundation of China (51306168).