家用插座和按鈕開關(guān)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析

摘 要：據(jù)消防部門統(tǒng)計(jì)，最近幾年電氣原因引發(fā)的火災(zāi)已成為各類火災(zāi)事故之首，城鄉(xiāng)居民住宅中近80%是與插座或線路有關(guān)。研究電氣產(chǎn)品的燃燒行為能為合理的防火設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)。文章采用錐形量熱儀對普通的家用電氣插座和開關(guān)的燃燒特性進(jìn)行了對比研究。研究結(jié)果表明：在相同條件下，開關(guān)的引燃時(shí)間較短，引燃危險(xiǎn)較大；開關(guān)的熱釋放速率峰值是插座的1.4倍，其潛在的轟然危險(xiǎn)也較大；但是，插座的CO產(chǎn)率很高，說明其燃燒過程中產(chǎn)生的毒性更大。

關(guān)鍵詞：錐形量熱儀；插座；開關(guān)；燃燒性能；熱釋放速率

引言

室內(nèi)建筑裝修設(shè)計(jì)中，防火設(shè)計(jì)是重要一環(huán)。電氣產(chǎn)品大多數(shù)由高分子聚合物材料組成，具有很高的火災(zāi)隱患。《中國火災(zāi)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，2006年因電氣原因引發(fā)的火災(zāi)占各類火災(zāi)總數(shù)的26.1%[1]，在各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)中居榜首，而因開關(guān)插座而引發(fā)的電氣火災(zāi)占了較大比例。開關(guān)插座是典型的固體可燃物，影響其燃燒特性的因素與材料組成和燃燒環(huán)境有關(guān)。

錐形量熱儀于1982年由美國NIST首先研制成功，它采用先進(jìn)的耗氧原理來評價(jià)材料的燃燒特性，是目前火災(zāi)試驗(yàn)方法中為數(shù)很少的可以稱得上性能化實(shí)驗(yàn)的方法之一[2]。本文運(yùn)用錐形量熱儀，選用市售的普通單相三級插座和二位單極中按鈕開關(guān)為測試對象，考察了兩者的燃燒特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

英國FTT產(chǎn)錐形量熱儀

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

錐形量熱儀采用耗氧原理測量材料的熱釋放速率，所謂耗氧原理就是：材料燃燒時(shí)消耗每一單位的氧氣所釋放的熱量基本上是一樣的。Huggett在1980年發(fā)表文章，指出在建筑業(yè)和商業(yè)中普遍使用的大多數(shù)塑料和其他固體材料都遵循這個(gè)規(guī)律，并測出這個(gè)值為13.1MJ/kg O2±5%[3]。實(shí)際測量中，通過測定煙氣O2的體積分?jǐn)?shù)變化來求得熱釋放速率。此外，標(biāo)準(zhǔn)配置的錐形量熱儀還可以通過裝置在煙道上的煙霧減光測量系統(tǒng)來確定煙氣的比消光面積，通過CO分析儀測定有關(guān)CO的產(chǎn)率、體積比濃度等參數(shù)。

1.3 樣品選擇和測試條件

樣品選擇某知名品牌生產(chǎn)的普通單相三級插座和二位單極中按鈕開關(guān)，尺寸均為86mm×86mm×30mm，材質(zhì)均為聚碳酸酯面板（PC）。試驗(yàn)方法按照ISO 5660進(jìn)行，選擇的輻射照度為50kW/m2。將水平放置的樣品用不銹鋼絲網(wǎng)保護(hù)，以避免樣品的翹曲和膨脹。每個(gè)試樣進(jìn)行2～3次平行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由錐形量熱儀的專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

2 結(jié)果和討論

2.1 引燃時(shí)間（TTI）

在一定的輻射照度下，用一定的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火源，樣品從暴露于熱輻射源開始到表面出現(xiàn)持續(xù)點(diǎn)燃現(xiàn)象為止的時(shí)間，稱為引燃時(shí)間。引燃時(shí)間是評價(jià)材料燃燒性能的重要參數(shù)之一，在相同條件下，材料的引燃時(shí)間越短，材料越易被引燃，其火災(zāi)危險(xiǎn)越大[4]。在50kW/m2的輻射照度下，開關(guān)和插座的引燃時(shí)間分別為78s和100s。開關(guān)相比于插座，表面平整無插孔，在高輻射照度下，表面聚合物熱解時(shí)間快，因此具有較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性。

2.2 熱釋放速率（HRR）

熱釋放速率是指在預(yù)設(shè)的熱輻射照度下，樣品引燃后單位面積上釋放熱量的速率，單位為kW/m2。熱釋放速率可分為平均熱釋放速率和峰值熱釋放速率（pHRR）。試驗(yàn)初期的平均熱釋放速率對評價(jià)初期火災(zāi)的貢獻(xiàn)和材料本身的阻燃和消防安全設(shè)計(jì)有實(shí)際作用。峰值熱釋放速率是材料重要的火災(zāi)特性參數(shù)之一。一般材料燃燒過程中有一處或兩處峰值，其初始的最大峰值往往代表材料的典型燃燒特性。圖1是兩種試樣在50kW/m2的輻射照度下，熱釋放速率隨時(shí)間的變化曲線。

在燃燒過程中，成炭的材料一般出現(xiàn)兩個(gè)峰值，即初始的最高峰和熄滅之前的另一個(gè)高峰，這種現(xiàn)象被認(rèn)為是燃燒時(shí)材料炭化形成炭層，減弱了熱量向內(nèi)層的傳遞，以及阻隔了一部分揮發(fā)物進(jìn)入燃燒區(qū)的記過，使熱釋放速率在最初的第一個(gè)峰值后趨于下降。圖1顯示，開關(guān)燃燒時(shí)的兩個(gè)峰值熱釋放速率都明顯比插座的峰值熱釋放速率高。插座和開關(guān)的pHRR分別為347.76 kW/m2和476.51 kW/m2。

2.3 總熱釋放（THR）

錐形量熱儀所測試的總熱釋放是指單位面積的試樣完全燃燒后所放出熱量的總和，單位MJ/m2。總熱釋放是評價(jià)實(shí)際使用材料熱危害的重要參數(shù)。材料的總熱釋放越大，材料潛在的熱危險(xiǎn)越大。圖2列出了兩種試驗(yàn)在同一輻射照度下總熱釋放。從圖示來看，開關(guān)燃燒總熱釋放較大。

2.4 質(zhì)量損失率（MLR）

在錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)中支撐樣品池的重量感應(yīng)器，采用五點(diǎn)差分法自動(dòng)記錄試驗(yàn)燃燒過程中的質(zhì)量損失速率。此參數(shù)與熱釋放速率、比消光面積、CO的生成速率等參數(shù)密切相關(guān)，質(zhì)量損失率大，燃燒猛烈。圖3顯示了插座和開關(guān)的質(zhì)量損失率（MLR）隨時(shí)間的變化曲線，在300s左右的時(shí)候，開關(guān)質(zhì)量損失率瞬間增大10倍，而插座在整個(gè)燃燒過程中并為出現(xiàn)明顯的突變。這也顯示了，開關(guān)一旦引燃，燃燒迅速而猛烈。

2.5 比消光面積（SEA）

比消光面積表示試樣分解揮發(fā)單位質(zhì)量的可燃物所產(chǎn)生煙的能力，單位為m2/kg。從圖4來看，插座和開關(guān)燃燒比消光面積基本接近，插座生煙能力較強(qiáng)，有后續(xù)不充分燃燒過程。

2.6 CO產(chǎn)率

在燃燒產(chǎn)生的煙氣中， CO是主要的毒性氣體。CO產(chǎn)率直接關(guān)系到材料燃燒的毒性強(qiáng)弱，較低的產(chǎn)率能給人員逃生帶來更大的可能。材料充分燃燒，CO2產(chǎn)率較高；反之，不充分燃燒則CO產(chǎn)率較高。同樣的輻射照度下，通過圖5明顯的對比能觀察到，插座的CO產(chǎn)率比開關(guān)的高，并且主要是發(fā)生在后期燃燒過程中。可見，插座燃燒產(chǎn)生的毒性危害更大。

3 結(jié)束語

從以上試驗(yàn)結(jié)果的對比討論可得出如下結(jié)論：

3.1 開關(guān)的引燃時(shí)間較短，與插座相比，其潛在火災(zāi)危險(xiǎn)性更大。

3.2 開關(guān)的熱釋放速率峰值比插座的大，質(zhì)量損失率在快速燃燒時(shí)，迅速增大。開關(guān)燃燒較為猛烈。

3.3 插座的總熱釋放明顯小于開關(guān)的總熱釋放，但是燃燒時(shí)間長于開關(guān)。

3.4 開關(guān)的比消光面積與插座的相近，兩者的生煙能力相近。但后期插座不充分燃燒較為嚴(yán)重。

3.5 由于插座燃燒后期存在不完全燃燒，其CO產(chǎn)率比開關(guān)明顯增大。因此插座燃燒產(chǎn)生的毒性危害更為嚴(yán)重。

參考文獻(xiàn)

[1]公安部消防局編.中國火災(zāi)統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京：群眾出版社，2006，10-15.

[2]王正洲，范維澄，瞿保均，等.常用高分子裝飾材料的燃燒特性[J].火災(zāi)科學(xué)，1999，8（3）：67-71.

[3]舒中俊，徐曉楠，李響.聚合物材料火災(zāi)燃燒性能評價(jià)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：48-49.

[4]舒中俊，諶強(qiáng).竹地板與普通木地板燃燒性能的錐形量熱儀對比實(shí)驗(yàn)研究[J].火災(zāi)科學(xué)，2007，7（3）：148-151.

作者簡介：陳英杰（1979，12-），男，2007年畢業(yè)于中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院有機(jī)化學(xué)專業(yè)，碩士學(xué)位。現(xiàn)任廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院消防產(chǎn)品檢測室副主任。主要從事消防產(chǎn)品、防火材料、閥門建材的檢驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室管理。