建筑用装饰材料的可燃性实验

廉武强

(渭南市蒲城县消防救援大队，陕西 渭南 715500)

建筑物内使用的装饰材料多为固体材料，为了安全可靠地使用这些材料，预防各类火灾事故的发生，有效控制火灾并且最大限度地减少火灾带来的人员伤亡和财产损失[1-3]，研究各类典型固体装饰材料的可燃性和燃烧规律显得十分有必要，为科学有效地进行火灾防治工作提供有力帮助[4-5]。贾源使用锥行量热仪分别在点燃时间、发烟量、质量损失速率、一氧化碳的产率等方面对几种木地板进行实验研究，其结果对室内火灾发展以及蔓延的研究具有重要意义[6]。线性热流变化对材料着火的影响研究发现随着材料密度增加，着火时间变长；热流改变的越快，着火事件越少[7]。季经纬等[8]研究固体可燃物热解着火过程受热辐射方向的影响情况，发现相比于水平方向辐射，垂直辐射下的固体可燃物质量损失速率更小；但在水平辐射条件下，材料更易发生热解。Tsai[9]用锥形量热仪研究PMMA板的引燃及自燃过程，分别通过计算机模拟和实验两个方面进行互相印证，得到引燃受热解作用影响、自燃受到热解和相变反应两方面影响的结论。王平等[10]选取3种常见的室内装修保温隔音材料进行氧指数和烟密度试验，研究其阻燃处理前后的燃烧和产烟性能[10]。蔡晶菁等[11]使用锥形量热仪和45°燃烧性能试验仪研究阻燃处理的丙纶地毯，发现地毯越厚火灾危险性越低。潘亮[12]采用辐射热源法研究防静电地板、木地板、簇绒地毯以及PVC卷材地板的燃烧性能，结果表明四种铺地材料的阻燃性能从大到小依次为：防静电木板、PVC卷材地板、木质地板、簇绒地毯。余稳松等[13]对测定铺地材料燃烧性能的辐射热源法进行分析，指出火焰传播的距离越远其辐射通量越小，火焰传播的距离越近其辐射通量越大。龙国峰[14]关于地毯的燃烧性能研究发现其属于易燃材料，安全性能偏低，点燃时间均偏短，在燃烧的过程中释放出大量的热量并且发烟量大。因此，如果使用地毯应该对其进行阻燃处理。马哲等[15]对木材的燃烧性能进行了研究，研究表明地板的热释放速率曲线呈“马鞍状”，复合地板和实木地板的热释放性能有很大的相似性。辐射功率越大，地板的点燃时间越小。在相同的辐射功率条件下，竹地板的点燃时间最小，容易发生轰燃，故其危险性比复合地板和实木地板高。综上所述，前期工作对于建筑装饰用单一铺地材料的火反应特性研究较多，而对于在建筑内顶墙地不同位置的装饰材料的对比可燃性研究较少。所以，选取在不同位置使用四种常见装饰材料的可燃性能进行实验，希望能对建筑装饰装修材料的使用和建筑火灾的防控提供有益借鉴。

1 实验

1.1 实验材料

实验选取聚氯乙烯地板革、PVC板、化纤丙纶地毯和树脂类壁纸4种常用建筑用装饰材料作为可燃性实验研究的材料。

1.2 样品表征

采用水平垂直实验燃烧试验仪(北京鑫生卓锐科技有限公司，CZF-5)，根据材料的点燃时间、持续燃烧的时间等现象对材料的可燃性进行评价，该设备计时范围为0～999 s，计时精度为10±0.2 s，30±0.2 s。利用建筑材料可燃性试验仪(苏州菲尼克斯公司，PX-07-003)对材料可燃性进行分级，计时装置精确到1 s，自动计时。烟密度测试仪(苏州菲尼克斯公司，PX-07-008)对材料燃烧时的静态产烟量进行测定，计时装置精确到1 s，自动计时。材料的阻燃热解特性由DTG-60AH差热热重同步分析仪(TG-DTA，日本岛津仪器公司)进行表征，动态质量检测范围为±500 mg。

2 结果与分析

2.1 水平垂直燃烧实验

2.1.1 水平法

聚氯乙烯地板革在每个试样底边中心下都施焰30 s，聚氯乙烯地板革有火焰产生，但当喷灯撤离后，火焰熄灭，燃烧现象消失，并且在施焰过程中火焰前沿始终没有烧过25 mm标记线。当在试样下方施加火焰时，树脂类壁纸即刻着火，有明亮的火焰并伴有白烟产生，火焰前端烧到夹具位置。燃烧后的树脂类壁纸呈黑色固体状，较脆。当烧到25 mm标记线时，撤离喷灯。此时树脂类壁纸继续燃烧，当烧到100 mm标记线时，续燃计时显示燃烧时间。化纤丙纶地毯遇明火后立刻燃烧，产生火焰并伴有黑烟，同时在燃烧过程中有黑色熔融物质滴落到铁盘中，并且火焰前端烧到夹具。当火焰前沿烧过25 mm标记线时，撤回火焰喷灯；当火焰前沿烧到100 mm标记线时，续燃计时，记录从25 mm烧到100 mm标记线的时间。当火焰施加到PVC板试样下方，有火焰产生，中后期有些许烟气产生。施焰时间超过30 s，喷灯撤离后火焰立刻熄灭，材料受火处有烟气产生。施焰过程中，火焰前沿始终没有烧到25 mm标记线处。

根据水平实验过程中得到的每种试样的燃烧时间及燃烧长度，得到水平燃烧速度如表1所示。

表1 水平燃烧速度汇总

2.1.2 垂直法

聚氯乙烯地板革在每个试样底边中心施加10 s的火焰，聚氯乙烯地板革燃烧，产生明亮的火焰，燃烧反应明显比水平燃烧更剧烈，并伴有烟气产生。当火焰前沿烧过25 mm标记线时，撤回喷灯并续燃记录燃烧时间。当树脂类壁纸接触到火焰时迅速燃烧，有明亮的火焰，并伴有烟气产生，火焰前端烧到夹具位置。燃烧速度明显快于水平燃烧，燃烧产物仍为黑色固体物质。化纤丙纶地毯接触到火焰时迅速燃烧，有明亮的火焰，并伴有烟气产生，火焰前端烧到夹具位置。燃烧过程中有熔融物滴落，燃烧产物仍为黑色固体物质。当PVC板接触明火时，材料燃烧并有火焰，但火焰不向其他区域蔓延。施焰时间超过10 s，喷灯自动撤离后，材料停止燃烧，火焰消失，并且材料局部有熏黑的现象。

根据垂直实验过程中的余焰时间，得到的垂直燃烧余焰时间如表2所示。

表2 垂直燃烧余焰时间汇总

由GB/T5455-2014中第10条规定可知，根据条件B计算3块化纤丙纶地毯试样的续燃时间和损毁的平均长度，燃烧时间结果精确到小数点后一位。其实验结果见表3。

表3 化纤丙纶地毯垂直法实验结果

通过对比4种材料的实验结果可知，树脂类壁纸燃烧速度最快，其次是化纤丙纶地毯，并且树脂类壁纸和化纤丙纶地毯的火焰传播能力也明显强于聚氯乙烯地板革及PVC板。综上，四种材料的水平垂直火灾危险性由高到低依次为：树脂类壁纸、化纤丙纶地毯、聚氯乙烯地板革、PVC板。

2.2 可燃性实验

当火焰接触试样后，聚氯乙烯地板革被引燃(施焰时间为15 s)，表面有明显的燃烧现象且伴有黑烟产生，但火焰并没有烧到150 mm标记线处，并且放在下方的滤纸也没被点燃。火焰接触到树脂类壁纸后，树脂类壁纸被引燃(施焰时间15 s)且有黑烟产生，火焰最高端几乎到达150 mm标记线处，中间部分被烧至灰黑状态，有些也存在烧至破洞状态，下方滤纸未被点燃。火焰接触到化纤丙纶地毯后，化纤丙纶地毯即刻被引燃(施焰时间15 s)，并且有浓烈的黑烟产生，燃烧过程中有黑色熔融物滴落，同时下方滤纸也被引燃，化纤丙纶地毯最后几乎是烧尽状态。火焰接触到PVC板后并没有较为激烈的反应(施焰时间为30 s)。受火5 s后，PVC板表面开始变软并呈焦黄状态。火焰前端始终没有烧至150 mm标记线处，且下方试纸也并没有被引燃。4种材料的燃烧时间及燃烧结果见表4～表7。

表4 聚氯乙烯地板革实验数据

根据GB/T8624-2012及表2和表3中的分级判据，平板状建筑材料及制品的燃烧性能的等级及分级标准对B1级的要求是点火时间30 s，60 s内火焰尖高度Fs小于150 mm且无燃烧滴落物滴落引燃滤纸；对B2级的要求为点火时间15 s，20 s内火焰高度不超过150 mm。因此，聚氯乙烯地板革燃烧性能等级为B1；树脂类壁纸燃烧性能等级为B3；化纤丙纶地毯燃烧性能等级为B3；PVC板燃烧性能等级为A。

表5 树脂类壁纸实验数据

表6 化纤丙纶地毯实验结果

表7 PVC板实验数据

2.3 建材烟密度实验

将实验材料在烟密度实验中的燃烧现象进行汇总，整理结果见表8。

通过表8可知，化纤丙纶地毯出现明火的时间最早，仅2 s。说明这四种材料中化纤丙纶地毯最易被引燃，同时在燃烧过程中还有熔融物滴落，且燃烬速度最快，有焰时间最短。PVC应为不燃材料，其出现明火时间最晚、最难燃。

表8 实验材料燃烧现象

4种材料燃烧后光吸收率与时间关系如图1所示。由图1a可知，聚氯乙烯地板革的最大烟密度为曲线的最高点，即39.417；总产烟量是曲线与时间轴围成的面积，即138.272；总面积为400；按标准进行计算得到聚氯乙烯地板革的烟密度等级为34.568。由图1b可知，树脂类壁纸的最大烟密度为曲线最高点，即55.265；总产烟量为曲线与时间轴围成的面积，即189.733；总面积为400；按标准进行计算得到树脂类壁纸的烟密度等级为47.433。由图1c可知，化纤丙纶地毯的最大烟密度为曲线最高点，即71.602；总产烟量为曲线与时间轴围成的面积，即241.478；总面积为400；按标准进行计算得到化纤丙纶地毯的烟密度等级为60.370。由图1d可知，PVC板的最大烟密度为曲线最高点，即42.911；总产烟量为曲线与时间轴围成的面积，即144.633；总面积为400；按标准进行计算得到PVC板的烟密度等级为36.158。

由此可知，化纤丙纶地毯在燃烧过程中产烟量最大，聚氯乙烯地板革产烟量最小。所以，化纤丙纶地毯的火灾危险性相对较高。

2.4 TG-DTA实验

4种材料的TG和DTA对比结果分别见图2和图3。由图2可知，聚氯乙烯地板革在前300 ℃内热解反应缓慢，质量几乎未发生改变，而300 ℃后质量开始减少，之后随着温度的不断升高，材料质量不断降低，失重速率慢慢增加。在300 ℃、500 ℃处和其他温度相比，失重速率相对较快。树脂类壁纸在250 ℃前热解反应缓慢，质量几乎未发生改变，而250 ℃后质量开始加速减少，之后随着温度的不断升高，材料质量不断降低，在250～350 ℃内失重速率最快，说明材料在这段温度内热解反应最强。化纤丙纶地毯在前350 ℃内热解反应缓慢，质量几乎未发生改变，而350 ℃后质量开始减少，在350～450 ℃内质量减少速率最快，说明化纤丙纶地毯在此时间段内反应最为强烈。之后随着温度的不断升高质量不断减少，当到达600 ℃时，材料质量接近为0。PVC板在前300 ℃内热解反应缓慢质量几乎未发生改变，在300 ℃后质量开始减少，在300～350 ℃内质量减少速率最快，说明PVC板在此时间段内反应较为强烈。之后随着温度的不断升高，质量在缓慢减少。

图2 4种材料TG对比图

由图3可知，随着温度的升高聚氯乙烯地板革开始发生放热反应，当温度到达480 ℃时，放热量达到最大，其最大值约为84 uV。壁纸在热解过程中主要以放热过程为主，550 ℃放出的热量最大，其最大值约为57 uV。化纤丙纶地毯在热解过程中以放热过程为主，当温度上升到550 ℃时，放出热量最大，其最大值约为88 uV。随着温度的升高，PVC开始放热，且放热量的变化幅度较小，当温度到达550 ℃时，放热量达到最大，其最大值约为50 uV。

图3 4种材料DTA对比图

树脂类壁纸产生失重现象的条件温度最低，即200 ℃就发生热解反应，当温度到达250 ℃时，失重速率加快，此时放热量达到一个极大值；聚氯乙烯地板革和PVC板的开始失重温度相近，PVC失重速率比聚氯乙烯地板革快，但聚氯乙烯地板革在温度到达500 ℃左右时，放热量达到最大，相比而言，PVC板在整个热解反应过程中，能量变化幅度较小；化纤丙纶地毯的开始失重温度在4种材料里面最高，在350 ℃开始反应，当温度到达550 ℃时，放热量达到最大，数据见表9。

表9 4种材料TG-DTA数据汇总

综上可知，相比其他3种材料而言，PVC板的热稳定性最强。

3 结论

通过分析4种材料火焰燃烧速度、静态烟密度、建材可燃性以及热重—差热实验得到如下结论：

通过水平垂直燃烧实验发现，化纤丙纶地毯的燃烧速度最快，火焰传播能力最强，PVC板无明显燃烧现象。通过可燃性实验可得出四种材料的燃烧性能等级，聚氯乙烯地板革燃烧性能等级为B1；树脂类壁纸燃烧性能等级为B3；化纤丙纶地毯燃烧性能等级为B3；PVC板燃烧性能等级为A。即地毯、树脂类壁纸为易燃材料，聚氯乙烯地板革为可燃材料，PVC板为难燃材料。

在烟密度实验中，化纤丙纶地毯的烟密度等级最高，聚氯乙烯地板革的烟密度等级最低。若发生火灾，化纤丙纶地毯的能见度相对最低，即火灾隐患较大。由热重—差热分析实验可知，化纤丙纶地毯的失重速率最快，且放热量最大；PVC板放热量最小。综合以上4个实验得出可燃性由强到弱排序为：化纤丙纶地毯、树脂类壁纸、聚氯乙烯地板革、PVC板。