室内常用装饰材料燃烧性能研究

马丽

（辽宁省沈阳市大东区消防救援大队，辽宁 沈阳 110031）

室内常用装饰材料多为易燃烧的棉、麻、皮革、木材以及合成纤维等典型的可燃物。琳琅满目的室内装饰材料在给人们带来美轮美奂的视觉盛宴的同时也带来令人深恶痛绝的火灾隐患。因此对室内装饰材料燃烧性能的研究就显得非常有必要，其研究能有效地从根本上预防和控制火灾的发生和发展[1-3]。

近年来，世界上很多国家都投入了大量人力物力对室内装饰材料燃烧性能进行研究。美国的NIST 研究了多种建筑材料的燃烧性能，并对建筑材料火灾特性数据库进行了建立，其中以热释放速率为主，为消防工作在火灾荷载、火灾危险性评估等方面提供了权威的理论指导；Peacock 等人用锥形量热仪对火车车厢内的装饰材料进行了燃烧特性测试；Hirschler 使用锥形量热仪对35 种商用塑料进行了燃烧特性的测试，并对其危险性进行分类；Heskestad 等使用锥形量热仪对三十多种材料燃烧释放的烟气进行了研究，并成为欧洲烟气分级的标准；欧洲材料燃烧分级标准工作组EUREFIC 用锥形量热仪等设备对62 种材料进行了测试，并以此为基础建立了较为健全的资料库，并在此基础上制定了相关建筑材料的分级标准；Hansen 等人在50 kW/m2热射条件研究了14 种材料的燃烧特性，并以此为基础提出了在此条件下点燃时间的公式。张旭等使用硫酸铵和磷酸二氢铵为原料，按不同的质量比例混合制备水基阻燃液，然后利用其对皮革和地毯进行阻燃处理，再对经过阻燃处理和未处理的样品进行燃烧性能和热分解特性表征，实验结果表明9：1 比例的阻燃液对地毯效果最好。他们的研究结果为将来探究水基阻燃液的制备和应用研究提供重要的参考[4-6]。

目前研究采用锥形量热仪对三种室内常用装饰材料包括皮革、地毯、棉布引燃特性进行实验研究，以确定它们在不同条件下的辐射引燃危险。并采用差热天平对其热解特性进行研究。为室内常用装饰材料的选用和火灾预防与控制提供理论指导。

1 实验

1.1 实验材料

硫酸铵和磷酸氢二铵（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），用于配制阻燃剂。三种室内常用装饰材料：皮革、地毯和棉布，用于进行燃烧性能研究。

1.2 实验样品制备

水基型阻燃剂制备如下，将药品按所需比例混合制成溶液。在本实验中所用药品有硫酸铵和磷酸氢二铵两种，这两种药品以任意比例制成溶液都可以作为水基阻燃处理剂使用。但为使其达到理想效果本次实验中以80：20 比例配制阻燃剂。将皮革、地毯、棉布剪成尺寸100×100mm的样品，每个装有阻燃剂的烧杯中每种样品分别放入3 片，浸泡24 h，之后自然风干。然后对未阻燃和阻燃后的皮革、地毯和棉布进行燃烧特性测试。

1.3 实验设备

锥形量热仪（南京上元分析仪器有公司，SZL-1 型）用于样品热释放速率（HRR）测试。微机差热天平（北京恒久科学仪器厂，HCT-1 型）用于样品差热-热重（DTA-TG）分析。

2 结果与讨论

2.1 装饰材料燃烧性能测试分析

由于本次研究的是室内火灾发展初期的规律，因此热辐射通量采用25kW/m2、35kW/m2和45kW/m2三种。这些热辐射水平可以代表小规模火灾和中等规模火灾的热辐射水平。表1 和表2 为未处理皮革、地毯和棉布、硫酸铵与磷酸氢二铵阻燃剂处理后皮革、地毯和棉布共计六种实验材料在不同的热辐射通量下的热释放速率峰值。

表1 不同辐射通量下热释放速率峰值

表2 硫酸铵与磷酸氢二铵阻燃剂处理后不同辐射通量下热释放速率峰值

由表1 和表2 可知，比较未处理和硫酸铵与磷酸氢二铵处理后皮革试样热释放速率峰值，在热辐射通量为25kW/m2和35kW/m2时硫酸铵与磷酸氢二铵处理后的试样明显低于未处理的试样。对于地毯而言，燃烧开始不久就达到较高的热释放速率，以较高的热释放速率持续一段时间后，也会出现一个热释放速率峰值，直至热释放速率减小，燃烧反应结束。其中未处理试样在热辐射通量为25kW/m2时未燃烧，而硫酸铵与磷酸氢二铵阻燃处理过试样在热辐射通量为25kW/m2和35kW/m2时均未燃烧。比较未处理和处理后皮革试样热释放速率峰值可知，在热辐射通量为25kW/m2和35kW/m2时硫酸铵与磷酸氢二铵处理过的试样明显低于未处理的试样。对于棉布而言，燃烧开始不久就达到较高的热释放速率，以较高的热释放速率持续一段时间后，也会出现一个热释放速率峰值，直至热释放速率减小，燃烧反应结束。比较未处理和处理后皮革试样热释放速率峰值可知，在热辐射通量为25kW/m2、35kW/m2和45kW/m2时处理过的试样明显低于未处理的试样。可燃物的热释放速率是评价火灾发展过程中燃烧性能的一个很重要的指标。此外，根据由表1 和表2 不难看出，对于同种材料而言，随着热辐射通量的升高，热释放速率峰值也随之增加。在不同热辐射通量下，除了可以看出热释放速率峰值的变化外，还可以看出在辐射能量增加情况下，热释放速率曲线斜率增加，达到峰值的时间也会提前，火灾危险性也就越大。

2.2 装饰材料差热测试分析

实验是在升温速率为100C/min的条件下进行的，实验曲线见图1 图3 所示。各图中反映了实验过程中三组实验样品的热分析曲线即热解失重曲线（TG）和差热曲线（DTA）。

图1 皮革热重和差热分析曲线

由图1 可以看出未处理皮革在230 至3100C时失重最大，失重率达到16%，之后曲线平缓，失重速率几乎不变；经过硫酸铵与磷酸氢二铵阻燃处理过的皮革在200 至3500C时失重最大，达到20%，之后曲线平缓，失重速率几乎不变。硫酸铵与磷酸氢二铵处理过的在2000C就开始失重速率增大，因为磷酸氢二铵加热至1550C分解，分解释放出氨气，而形成磷酸二氢铵，硫酸铵在2800C以上开始分解，所以在200 至3500C有个失重峰值，硫酸铵高温分解，吸收热量，降低环境温度，同时分解产生的三氧化硫为重质气体，覆盖了火焰区表面，可阻止氧气的进入，有利于阻燃。此外，由图1 还能发现未处理皮革在2500C之前都是处于吸热阶段，2500C之后处于放热阶段，在4400C时达到放热峰值4.2μV/mg。硫酸铵与磷酸氢二铵阻燃剂处理皮革在1500C 之前都是处于吸热阶段，1500C之后处于放热阶段，在4600C时达到放热峰值3.9μV/mg。

由图2 可以看出未处理地毯在380 至480℃时失重最大，失重率达到80%，之后曲线平缓，失重速率几乎不变；经过硫酸铵与磷酸氢二铵阻燃剂阻燃处理过的地毯在350 至400℃时失重最大，达到50%，之后曲线平缓，失重速率几乎不变。由图2可以看出未处理地毯在120℃之前都是处于吸热阶段，120℃之后处于放热阶段，在510℃时达到放热峰值6.0μV/mg。硫酸铵与磷酸氢二铵阻燃剂处理后地毯在350℃之前都是处于吸热阶段，350℃之后处于放热阶段，在580℃时达到放热峰值2.2 μV/mg。

图2 地毯热重和差热分析曲线

由图3 可以看出未处理棉布在320 至360℃时失重最大，失重率达到70%，之后曲线平缓，失重速率几乎不变；经过硫酸铵与磷酸氢二铵阻燃剂阻燃处理过的棉布在250 至310℃时失重最大，达到50%，之后曲线平缓，失重速率几乎不变。由图3可以看出未处理棉布在280℃之前都是处于吸热阶段，280℃之后处于放热阶段，在356℃时达到放热峰值6.7μV/mg。硫酸铵与磷酸氢二铵阻燃剂处理棉布在310℃之前都是处于吸热阶段，310℃之后处于放热阶段，在458℃时达到放热峰值2.7μV/mg。

图3 棉布热重和差热分析曲线

3 结论

通过对三种室内常用装饰材料进行燃烧性能和差热-热重分析，可以得到以下结论：

3.1 同种材料在不同辐射通量下的热释放速率曲线形状是相似的。对于同种材料而言，随着热辐射通量的升高，热释放速率峰值也随之增加。随着热辐射通量的增大，热释放速率曲线斜率也会增加，达到峰值的时间会提前，火灾危险性也就越大。引燃时间、到达热释放速率峰值与火焰熄灭的时间随着辐射通量的增加而衰减，到达热释放速率峰值与火焰熄灭的时间随着热辐射通量的增加而递减。

3.2 经过硫酸铵和磷酸氢二铵（80：20）混合配制的阻燃剂处理的样品无论是达到峰值的温度还是峰值的大小与未处理样品比较都明显偏低，其中棉布样品最为明显；经过硫酸铵和磷酸氢二铵（80 ：20）混合配制的阻燃剂处理的样品的引燃时间、到达热释放速率峰值时间以及火焰熄灭时间与未处理样品比较明显延迟，其中棉布样品最为明显。硫酸铵和磷酸氢二铵混合配制的阻燃剂对初期火灾有明显的预防效果。