典型织物膜材小尺寸燃烧性能试验研究

马鲜萌

廊坊市消防救援支队，河北 廊坊 065000

0 引言

膜结构是由柔性的高强度建筑膜材，经过张拉、充气、牵引等方式使其产生一定的预应力，进而构成承载一定外部荷载的结构。膜结构具有经济环保、跨度大、施工简便等优势，在体育馆等需要快速施工的建筑中备受青睐。膜材是膜结构的主体材料，其在火灾中的表现极大影响建筑的稳定性和安全性，研究膜材的燃烧性能对膜结构的稳定性和安全性有重要意义。

目前，国内外关于膜材的试验研究大多集中在力学性能上，包括剪切试验、偏轴拉伸试验等[1-3]。许珊珊等[4]研究PVC膜材的非线性各向导性本构关系的模型，预测PVC在拉—剪应力作用下的力学行为；梁丽宁[1]对PTFE膜材进行双轴应力松弛试验，为膜结构施工张拉方案提供一定理论依据；张媛媛等[5]对气承膜建筑材料进行燃烧试验，观察不同高度下气承膜燃烧的动力学现象，获得气承膜燃烧的临界温度；宋洁[6]研究织物膜材的抗顶破性能，探讨相应的强度准则。然而，研究织物膜材的燃烧性能相较匮乏，且膜结构建筑发生火灾会影响建筑的稳定性，因此，研究织物膜材的燃烧性能很有必要。

本文采用小尺寸方式对膜材的紫外老化、热氧老化及热辐射强度等进行试验，观察各织物膜材的火灾动力学现象，分析膜材的引燃时间、热释放速率及烟气释放等性能，为膜材选取及膜结构安全性提供一定理论依据。

1 试验设计

1.1 试验材料

选取三种不同类型且具有代表性的织物膜材作为试验材料，这三种膜材分别代表典型的聚氯乙烯(PVC)聚酯纤维膜材、聚四氟乙烯(PTFE)玻璃纤维膜材及热塑性聚氨酯弹性体(TPU)膜材，性能方面均在同类膜材中较为适中，且厚度均在1 mm左右，属于热薄型材料，如表1所示。

表1 三种膜材的性能参数

1.2 试验设备和试样制作

本试验采用英国FTT公司生产的锥形量热仪，基于ISO 5660和GB/T 16172标准开展试验,试验装置主要包括引燃试验台、气体分析仪、计算机控制台和标定气瓶四部分。将膜材制成100 mm×100 mm的试样，将制好的膜材试样用铝箔纸包住一面，放在铺有岩棉垫层的试样托盘上，保证试样的绝热条件。然后，盖以试样夹，并将多余的铝箔纸翻出以确保受热面积为100 cm2。试样盘由下至上依次为试样托盘、岩棉垫层、铝箔纸、膜材试样、试样夹。

1.3 试验方案设计

锥形量热仪可基于氧消耗原理对材料燃烧时的各项参数进行检测[7]。本试验拟定膜材类型、老化类型、老化时间长短、热辐射强度等四种变量。基于四种变量，开展锥形量热试验，观察膜材在受到热辐射时的外部形态变化、由辐射开始至有焰燃烧的引燃时间。利用仪器测量材料燃烧过程中的引燃时间、热释放速率和烟气释放速率等燃烧特性参数。具体试验方案如表2所示，试验均在同样的温度、湿度条件下进行，受热面均为膜材外表面，每种试验条件均重复三次取平均值。通过交叉对比试验数据，分析出各变量之间的燃烧特性差异或共同点。

表2 热辐射引燃试验方案

2 试验结果与讨论

2.1 燃烧过程

在试验现象方面，PVC膜材与TPU膜材的燃烧过程较为相似，而PTFE膜材始终未发生燃烧，仅在表面涂层发生热解现象，如图1所示。

图1 PVC、TPU与PTFE膜材的试验形貌

2.1.1 PVC膜材试样

热解阶段：膜材受到热辐射后，表面立刻产生白烟，并伴有起泡、熔融，随后出现明显的向中心蜷缩成团状的现象，颜色加深并逐渐炭化；持续热辐射，烟气释放速度逐渐加快，并伴有闪燃。两种老化处理后的膜材在此阶段的现象与未老化膜材类似，不同之处在于膜材老化类型及老化时间长短会直接影响此阶段的持续时间。

引燃阶段：膜材在引燃前经过充分热解，且通常会发生闪燃。两种老化处理后的膜材闪燃现象更为明显，老化时间越久，闪燃次数越多。

燃烧阶段：膜材稳定燃烧，伴有黑烟。膜材几乎整体呈现熔融状态向四周流溢，由在热解阶段蜷缩成的团状最终发展成液态池状燃烧。随着燃烧进行，火焰由中间至四周逐渐减小，在膜材燃烧物四周形成局部小火焰并最终熄灭。

燃烧残余物：膜材在几种热辐射强度下均燃烧较为充分，残余物形态较为统一。由于其涂层部分的熔融流淌，燃烧残余物均为炭化物，布满整个试验盘，且出现裂纹。

2.1.2 TPU膜材试样

热解阶段：膜材受到热辐射后，表面产生烟气，发生熔融、蜷缩现象，经过一定时间的热辐射后，表面涂层部分全部融为液态物质。两种老化处理后的膜材在此阶段无明显不同。

引燃阶段：膜材引燃前无闪燃现象，膜材经过一定时间的热辐射后直接发生引燃。

燃烧阶段：膜材呈固态稳定燃烧，火焰逐渐减小并最终熄灭。

燃烧残余物：膜材在几种热辐射强度下均燃烧较为充分，残余物形态较为统一。由于在燃烧过程中的收缩，残余物为团状，面积几乎缩小为原膜材的四分之一，上表面有部分聚酯纤维纹理，其余部位炭化。

2.1.3 PTFE膜材试样

热解阶段：膜材受到热辐射后，表面涂层逐渐热解，出现白烟，伴有起泡，随后炭化成黑色，最终全部热解，裸露出玻璃纤维基布。玻璃纤维作为一种无机非金属材料，具有极高的熔点和燃点，在整个试验过程中没有发生明显变化。

残余物：膜材在整个试验过程中没有发生燃烧，膜材表面涂层部分发生热解，暴露出玻璃纤维基布，未热解完全的PTFE涂层发生炭化变为黑色。

2.2 引燃时间

引燃时间是评价聚合物材料着火性能的重要指标之一，其时间长短由材料本身的性质和外部热源的辐射强度决定。

2.2.1 不同热辐射强度下膜材引燃时间

图2是膜材在不同热辐射强度下的引燃时间。不同膜材在同一热辐射强度下的引燃时间不同；同一膜材热辐射强度越大，引燃时间越短；在较低热辐射强度下，PVC膜材的引燃时间大于TPU膜材，而在较高热辐射强度时则相反，说明PVC膜材热解产物燃点较低，更容易被高温引燃。

图2 膜材在不同热辐射强度下的引燃时间

2.2.2 膜材老化处理后引燃时间

图3是膜材老化后的引燃时间。PVC膜材老化后引燃时间增加，而TPU膜材老化后无明显变化，说明老化对TPU膜材引燃时间影响较小。PVC膜材紫外老化后的引燃时间在短时间内大幅增长，而后无明显变化，说明PVC膜材在投入使用初期，紫外光对其影响基本达到饱和。PVC膜材热氧老化后引燃时间不断增加，这与PVC发生预氧化作用有关。

图3 膜材老化处理后的引燃时间

2.3 热释放速率

织物膜材的热释放速率(HRR)是衡量膜材燃烧剧烈程度的一项重要指标[8]。

2.3.1 不同热辐射强度下膜材热释放速率

图4是两种膜材在不同热辐射强度下的热释放速率，总体趋势上区别较为明显。同一热辐射强度燃烧过程中，TPU膜材HRR峰值高出PVC约2～3倍，说明在燃烧初期，TPU膜材热释放量更大。随着热辐射强度的增大，PVC膜材引燃时间和达到HRR峰值时间的变化趋势较TPU膜材更大，说明PVC膜材对热辐射敏感程度更高，且热辐射越强时，PVC膜材引燃时间越短。

图4 不同热辐射强度下两种膜材热释放速率变化曲线

2.3.2 膜材老化处理后热释放速率

图5是PVC膜材老化处理后的热释放速率。未老化PVC膜材燃烧释放的热量少，HRR峰值只达117.6 kW·m-2。老化处理后HRR值变化较为明显，这与光解期间聚合物发生复杂的分步光化学反应有关，期间生成其他物质，进而影响材料的HRR峰值。热氧老化200 h的HRR峰值最大，为153.9 kW·m-2；紫外老化后HRR峰值明显提高，且老化时间越久，HRR峰值越大，老化300 h时HRR峰值约为未老化膜材的1.6倍。老化后引燃时间也明显增长，这与分子中基团受到激发生成自由基使活化能升高有关。

图5 老化处理后PVC膜材的热释放速率变化曲线

图6是TPU膜材老化处理后的热释放速率。未老化TPU膜材燃烧释放出大量热量，HRR峰值可达467.7 kW·m-2。热氧老化低于200 h时HRR峰值降低幅度较小，老化300 h时HRR峰值跌至未老化膜材的65%；紫外老化后HRR峰值出现小幅上升，老化300 h时降至未老化膜材的67%。峰值回落后HRR变化趋势与未老化膜材基本一致，引燃时间无明显变化。总体上TPU膜材在老化初期HRR变化不大，但经过一段时间后，HRR峰值出现大幅下降，说明膜材在经过一定程度老化后，其燃烧热释放能力出现下降趋势。

图6 老化处理后TPU膜材的热释放速率变化曲线

2.4 烟气释放分析

与多数可燃材料一样，织物膜材在受热燃烧过程中也会释放烟气。烟气具有毒性、刺激性、减光性等特点[9]，是火灾中致人死亡的主要原因之一。

2.4.1 不同热辐射强度下膜材烟气释放分析

图7(a)是PVC膜材与TPU膜材在不同热辐射强度下烟气释放速率(SPR)。两种膜材烟气释放过程差异较大，但都存在一个峰值。膜材SPR峰值的形成是经过充分热解、引燃同时燃烧产生大量烟气的结果。引燃温度较低时PVC膜材的产烟量远大于TPU膜材。引燃后，PVC膜材仅在引燃瞬间产生大量烟气，TPU膜材会持续释放大量烟气，引燃后TPU膜材烟气释放速率更大。图7(b)是PVC膜材与TPU膜材在不同热辐射强度下总烟气释放量(TSR)。两种膜材在不同热辐射强度下总烟气释放量也不同，25 kW·m-2时PVC膜材总烟气释放量约为TPU膜材的1.43倍，35 kW·m-2时PVC膜材总烟气释放量高出TPU膜材约20.2%，50 kW·m-2时TPU膜材总烟气释放量反超PVC膜材约5.8%，达到1 082.7 m3·m-2。这说明在较低热辐射强度下，PVC膜材引燃前就会释放出大量烟气，而TPU膜材在临近引燃时才开始释放少量烟气，从总烟气释放量看，PVC膜材高于TPU膜材。在较高热辐射强度下，两种膜材都在短时间内被引燃，此时TPU膜材烟气释放量和释放速率要高于PVC膜材。因此，在火灾初期或较小火灾下，TPU膜材在烟气释放方面的性能要优于PVC膜材，但在大规模且起火速度较快的火灾中，TPU膜材更差。

图7 膜材在不同热辐射强度下烟气释放速率和总烟气释放量变化曲线

2.4.2 膜材老化处理后烟气释放分析

图8是PVC膜材与TPU膜材老化处理后的烟气释放速率。PVC膜材经两种老化处理后，与未老化相比，在热解阶段SPR值基本未变，在燃烧阶段仅SPR峰值出现时间不同。TPU膜材经两种老化处理后，与未老化相比，SPR值几乎未变，而经过300 h紫外老化和热氧老化，SPR峰值分别下降了30.8%和32.2%。说明老化对PVC膜材烟气释放的影响主要体现在燃烧阶段，而在热解阶段影响较小；老化对TPU膜材的影响主要体现在SPR峰值大小上。

图8 膜材老化处理后的烟气释放速率

图9是PVC膜材与TPU膜材老化后的总烟气释放量。两种老化对PVC膜材总烟气释放量无明显影响，TSR值基本保持稳定；TPU膜材经过一定时间老化后，总烟气释放量出现下降趋势，但下降幅度较小。对比两种膜材，PVC膜材总烟气释放量要高于TPU膜材。说明紫外老化和热氧老化对膜材烟气释放的影响并不明显，仅影响PVC膜材SPR峰值出现的时间和引起TPU膜材烟气释放量的小幅下降。

图9 膜材老化处理后总烟气释放量变化曲线

2.4.3 烟气成分分析

烟气分析仪可通过电化学传感器对材料燃烧释放的气体进行成分探测和浓度测量。通过测量，可以得到不同膜材烟气成分浓度，如表3所示。

表3 膜材烟气成分浓度

计算有效剂量分数(FED)，研究烟气毒害性。根据前人研究，改进后FED计算公式如下：

式中，[Ci]为各有毒组分的测试浓度；LC50Ci为按照统计计算求得的暴露30 min且染毒后14天试验动物死亡50%的浓度；m，b与CO和CO2相关，若[CO2]>5%，则m=23,b=-38 600，[CO2]≤5%，m=-18,b=122 000。

查阅文献资料可得气体的LC50值，将燃烧时各组分气体浓度最大值分别带入计算，得到PVC、TPU、PTFE膜材的FED值分别为0.086,0.043,2.774。根据文献资料[10]，FED<0.1时人员相对安全，FED≥0.1时可能对人员造成伤害。根据膜结构建筑的实际情况，当选用PVC膜材和TPU膜材时，其燃烧产生的烟气扩散到建筑后FED<0.1，且膜材在燃烧前通常已经发生撕裂破坏，有助于烟气排出，因此，这两种膜材在火灾中释放的烟气不会对人员造成伤害。而PTFE膜材计算后的FED>0.1，且超出安全值27倍，且PTFE受火不易破裂，会将有毒烟气留在建筑内，对人员造成伤害。总体来说，PTFE膜材在烟气释放方面危险性较大，而PVC膜材和TPU膜材释放的烟气不会对人造成影响。

3 结论

本文将人工加速老化试验与小尺寸辐射引燃试验相结合，探究了三种典型织物膜材在不同热辐射强度、老化类型及老化时间等影响因素下的燃烧性能，对其老化前后的引燃特性进行了分析。但是本研究织物膜材的类型较少，具有一定的局限性，且在全尺寸试验方面还有待进一步研究。通过试验研究三种膜材的燃烧性能，得出如下结论：(1)PTFE膜材耐火性能最好，在试验中未发生引燃现象，但会发生热解，释放大量烟气。TPU膜材在燃烧时热释放速率较PVC膜材更高，燃烧也更为剧烈，因此TPU膜材火灾危险性最大；从烟气释放看，PVC膜材在热解和燃烧阶段均有烟气释放，而TPU膜材烟气释放主要集中在燃烧阶段。从烟气释放量和烟气成分看，PTFE膜材释放的烟气毒性最大，在火灾中易对人员疏散造成影响。(2)通过引燃时间判断出PVC膜材对热辐射强度的变化更为敏感。烟气释放方面，在较低热辐射强度下，TPU膜材总烟气释放量远低于PVC膜材。随着热辐射强度增大，TPU膜材烟气释放总量明显增加，而PVC膜材则出现小幅下降。(3)老化作用对不同膜材燃烧性能的影响存在差异。老化对PVC膜材的影响较TPU膜材更大，两种老化作用都会使PVC膜材引燃时间增长。在热释放速率方面，老化作用会使PVC膜材的燃烧更为剧烈，释放更多热量；但TPU膜材在一定程度老化后，其热释放速率出现下降趋势。在烟气释放速率方面，TPU膜材在紫外老化与热氧老化300 h时，其SPR峰值分别下降了30.8%和32.2%；对PVC的影响主要是SPR峰值出现的时间。