室內裝飾織物燃燒特性研究

●鄭毛毛,張 平

(武警學院 研究生隊,河北 廊坊 065000)

0 引言

織物自古就與人類的生活息息相關,到了近現代,隨著經濟技術的飛速發展,室內裝飾織物也在人類的居室生活中起著越來越重要的作用,不僅讓人類過得更舒適,也讓室內環境更美觀。任何事物都有兩面性,織物在給人類的居室生活帶來舒適、美觀的同時,也帶來了潛在的火災危險性[1]。因而,對室內裝飾織物燃燒特性的研究就顯得至關重要。以耗氧原理為基礎的錐形量熱儀(CONE)能客觀地評價真實火災中材料的燃燒性能,CONE的燃燒環境極相似于真實的燃燒環境,其試驗結果與大型燃燒試驗結果之間存在很好的相關性,能夠表征出材料的燃燒特性,在材料評價、材料設計和火災預防等方面具有重要參考價值[2]。本文利用錐形量熱儀對帆布、棉麻、泡紗等幾種室內裝飾織物在不同熱輻射強度下的點燃時間、燃燒熱釋放速率、質量損失速率和發煙量等燃燒特性進行了研究,并比較了各類織物的火災危險性。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及樣品制備

實驗儀器為 FTT-Dualcone錐形量熱儀(英國產)。實驗樣品：條絨(TR)、棉麻 (MM)、泡紗 (PS)、滌綸(DL)、帆布(FB)。樣品制備：將各類織物裁剪成 100mm×100mm尺寸,厚度取 5mm。

1.2 實驗原理

錐形量熱法[3]采用耗氧原理[4]測量材料的熱釋放速率。所謂的耗氧原理就是：材料燃燒時消耗單位氧氣所釋放的熱量基本相等。這一原理由 Thornton在 1918年發現,并由 Huggett在 1980年通過應用這一原理對常用易燃聚合物及天然材料進行了系統計算,得到了耗氧燃燒熱(E)的平均值為 13.1 kJ·g-1O2±5%,建筑業和商業中普遍使用的大多數塑料和其他固體材料都遵循這一原理[5]。在實驗過程中,將材料燃燒的所有產物收集起來并經過一個排氣管道,氣體經過充分混合后測出其質量流量和組分。測量時至少要將 O2的體積分數測出來,計算出燃燒過程中消耗氧氣的質量,運用耗氧原理,就可以得出材料燃燒過程中的熱釋放速率,目前的氧分析儀靈敏度已達到了 2×10-5,對一般的燃燒過程,該靈敏度能夠滿足氧濃度測定準確度要求[6]。

1.3 實驗過程

使用錐形量熱儀要采用標準方法[7]進行操作。點火及觀察實驗時,操作員應該看一下指示表上的讀數,確信其值和實驗樣品值一樣,如果看到難以置信的讀數,應停止實驗或者重新調節承重構件,整個實驗過程都需要觀察樣品,操作員應該查找：分片下落;滴水;過度膨脹(樣品不應該過分的膨脹以致污損儀器的金屬部件);碎片爆炸;其他反常的行為。如果觀察到上述現象,應當正確記錄。在實驗中千萬不要吹樣品,這種行為將使熱釋放速率曲線不規則。實驗結束后,確保宣布燃燒結束以后再收集附加兩分鐘的實驗數據,繼續操作分析器 10min,關泵,關掉所有的鋼氣瓶。關掉量熱儀排風管,確保所有被測樣品都已熄滅,這樣就完成了實驗。數據處理以ASTM E1354/ISO5560為準繩,大部分數據是利用計算機軟件進行數據推導直接獲得的,其他各項也都按標準輸入到了測試文件的目錄中。

1.4 實驗注意事項

在實驗中,將樣品用鋁箔包裹其背面和側面以減少質量損失。為了保證平表面燃燒,用不銹鋼網柵夾住試樣。實驗時,試樣的背部墊有一種厚13mm,密度為 650kg·m-3熱阻很大的陶瓷纖維毯以保證標準背面熱邊界條件。為了能較好反映實際火災中的熱輻射變化,本文試驗采用的熱輻射強度分別為 25、35kW·m-2,對比幾種樣品的燃燒性能。

2 實驗結果與討論

2.1 點燃時間

點燃時間(Ignition Time,IT)是指樣品從開始受輻射加熱起,到其暴露面上方在電火花作用下出現持續火焰所經歷的時間。點燃時間是判斷材料火災危險性的一個重要參數。樣品的點燃時間越短,就越容易被點燃,火焰也越容易向周圍物質擴散,火勢蔓延的速度就越快,因而材料的火災危險性越大。通過錐形量熱儀對幾種材料進行實驗測得的點火時間見表 1。從表 1數據可以直觀地發現：輻射強度增大,各個樣品的點燃時間明顯減小,說明輻射熱強度越高,樣品越容易被點燃。在相同的輻射熱條件下,由于泡紗質地疏松,單位面積與氧氣接觸面積較大,點燃時間最短;帆布結構最為密實,因而在相同輻射熱強度下,其點燃時間最長;棉麻、條絨、滌綸等材料結構密實程度相近,點燃時間相差不多。

表1 實驗樣品在不同輻射熱強度下的點燃時間

2.2 熱釋放速率

熱釋放速率(Heat Release Rate,HRR)是指單位時間內材料單位面積燃燒時所釋放的熱量,它被認為是火災發展過程中衡量材料火災危害程度最重要的參數,是評價其燃燒性能的最重要指標之一,其重要性在于它控制和影響了其他燃燒性能參數。錐形量熱儀可給出材料燃燒過程的 HRR隨時間的動態變化,且實驗中材料的熱釋放速率與實際房間內火災過程中的熱釋放速率有較好的一致性。

熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率是研究熱釋放速率的兩個重要指標。熱釋放速率峰值的大小表征了材料燃燒時的最大熱釋放程度。平均熱釋放速率的大小則表征了材料燃燒過程中的平均熱釋放程度。平均熱釋放速率越大,說明這種材料燃燒得越猛烈。

表 2列出了各種材料在熱輻射強度為 35kW·m-2和 25kW·m-2時的燃燒熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率(kW·m-2)。從表 2中的數據可以看出：對于每種實驗材料,通常情況下熱輻射強度越高,其熱釋放速率峰值越大,平均熱釋放速率也越高,反之,熱輻射強度越低,各種材料的熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率也越低。這與理論相符合：當熱輻射強度較高時材料單位時間內接受的輻射熱越多,當其開始燃燒后,由于外界溫度較高,因而材料與外界進行對流換熱所損失的能量也越少,從而有更多的熱量來加熱自身,使燃燒速度加快,熱釋放速率峰值也就越高。同時,材料的質量一定,完全燃燒后的總釋放熱量也就一定,燃燒越快,其燃燒時間就越短,平均熱釋放速率就越高。從表 2中可以得到,在熱輻射強度為35kW·m-2時,滌綸材料的熱釋放速率峰值最高,其峰值達到 143.7kW·m-2,條絨的熱釋放速率峰值最低,其峰值僅為 60.1kW·m-2,帆布、泡紗、棉麻的熱釋放速率峰值依次為：103.5、100.3、90.7kW·m-2。在熱輻射強度為 25kW·m-2時,依然是滌綸材料的熱釋放速率峰值最高,其峰值為 126.3kW·m-2,條絨的熱釋放速率峰值最低,其峰值僅為 58.6kW·m-2,帆布、泡紗、棉麻的熱釋放速率峰值依次為：102.5、100.0、88.5kW·m-2。圖 1與圖 2是在輻射熱強度分別為 35和 25kW·m-2時5種實驗材料的熱釋放速率對比圖。

表2 實驗樣品在不同輻射熱強度下的熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率

圖1 材料在熱輻射強度為 35時的熱釋放速率

圖2 材料在輻射熱強度為 25時的熱釋放速率

2.3 質量損失速率

質量損失速率(Mass Loss Rate,MLR)是指材料在燃燒時質量損失的變化速度,它反映樣品在特定實驗熱輻射條件下的熱裂解、揮發及燃燒程度,是衡量物質火災危險性的重要因素。質量損失速率越大,說明材料越容易燃燒,這樣的材料在真實的情況下,其火焰傳播速度也就越快,火災危險性就越大。在較高的熱輻射強度下,材料發生燃燒后在單位時間內與外界通過對流換熱散失的熱量較少,燃燒放出的熱量更多的用來加熱自身,使自身燃燒速度加快,質量損失速率也就越快,表 3中的數據說明了這一點。

表3 實驗材料在不同熱輻射強度下的平均質量損失速率

一般地,對于同一種材料,質量損失速率越快,熱釋放速率也越快。對于不同的材料,由于燃燒單位質量材料釋放的熱量不同,因此,質量損失速率越快,不一定熱釋放速率也越快,表 3給出了實驗中幾種材料的平均質量損失速率,結合表 2中給出的各個材料的平均熱釋放速率,可以發現,滌綸的平均熱釋放速率高于泡紗的平均熱釋放速率,而泡紗的平均質量損失速率高于滌綸的平均質量損失速率。

2.4 發煙量及煙氣毒性

煙氣粒子對可見光是不透明的,有完全的遮蔽作用。煙氣一般集中在疏散通道的上部空間,導致人員看不清周圍的環境,辨認目標和疏散逃生的能力大大降低。據統計,近年來建筑火災中喪生的人,80%以上是吸入了火場有毒煙氣而死。因而,對煙氣生成量及煙氣毒性的研究是研究試樣燃燒性能的一個重要因素。錐形量熱儀通過比消光面積來衡量材料的發煙量。比消光面積是消耗單位質量樣品產生的煙氣量,可衡量煙氣的遮光性[8]。表 4給出了 5種實驗材料在輻射熱強度為 25和 35kW·m-2時的平均比消光面積。

可燃物燃燒釋放出的煙氣導致火場人員窒息和中毒是火災致死的主要因素之一。煙氣中的毒氣以CO最為常見,當空氣中 CO的含量超過一定量就會對人體產生傷害。因此 CO生成率也是衡量材料火災危險性的重要參數。表 5給出了 5種實驗材料在輻射熱強度為 25和 35kW·m-2時的 CO生成速率的峰值和平均值(kg·kg-1)。從表中可以看出,各種樣品的 CO生成量隨著熱輻射強度升高而變小,僅泡紗材料少有偏差,這是由于在較低的熱輻射強度下,材料燃燒不充分,CO生成量就大,而泡紗則因為在較高的輻射熱強度條件下燃燒速度過快,氧氣來不及供給,材料燃燒不充分,故在較高熱輻射強度下CO生成量大。

表4 實驗材料平均比消光面積

表5 實驗樣品 CO生成量峰值和平均值

3 結論

利用錐形量熱儀在輻射熱強度為 25和 35kW·m-2的條件下對 5種實驗材料的燃燒性能進行了實驗研究,分析比較了它們的火災危險性,得出了以下結論：熱輻射強度越高,5種實驗材料的點燃時間越短,燃燒熱釋放速率越大,質量損失速率越大,比消光面積及 CO生成量則因材料而異。在一定的熱輻射強度范圍內,帆布和條絨隨熱輻射強度的升高,其比消光面積變小,泡紗、棉麻、滌綸的比消光面積則隨熱輻射強度的升高變大;泡紗的 CO生成量隨熱輻射強度的升高而增大,其他材料的CO生成量隨熱輻射強度的升高而減少。

[1]Wong Chelsia Ruth.Contribution of Upholstered Furniture to Residential Fire Fatalities in New Zealand[R].Fire Engineering Research Report,2006：18-19.

[2]王慶國,張軍,張峰.錐形量熱儀的工作原理及應用[J].現代科學儀器,2003,(6)：36-39.

[3]BABRAUSKASV.Development of the cone calorimeter— — A bench scale heat release rate apparatus based on oxygen consumption[J].Fire and Materials,1984,8(2)：81-85.

[4]HUGGETT C.Estimation of rate of heat release by means of oxygen consumption measurement[J].Fire and Materials,2000,4(2)：61-66.

[5]康茹,尤杰,乙華,等.室內裝修材料的錐形量熱儀的對比研究[J].消防技術與產品信息,2006,(5)：17-19.

[6]王許云,張軍,張峰,等.應用錐形量熱法評價聚合物復合材料熱釋放速率[J].復合材料學報,2004,21(3)：162-166.

[7]ISO Standard 5660-1,Heat Release Rate from Building Products(Cone Calorimeter Method)[S].Geneva：The International Organization for Standardization,1993.

[8]ASTM E 1354292,Standard Test Method for Heat and Visible Smoke Release Rates for Materials and Products Using an Oxygen Consumption Calorimeter[S].1993.