疊放層數對薄型非織造布燃燒性能的影響*

(1. 華南理工大學材料科學與工程學院,廣州,510640；2. 廣州市纖維產品檢測院,廣州,510220)

中國已成為非織造布的生產大國，隨著人均消費量的提高，非織造布的用量也不斷增加，衛生用品、擦拭布、內墻裝飾、地面覆蓋材料、包裝袋等，與人們的生活息息相關。但是非織造布產品多數屬易燃品，潛在的火災隱患不得不引起人們的重視。因此，對非織造布的燃燒性能進行正確評價，從而有目的地進行阻燃整理顯得尤為重要。

垂直燃燒法、水平燃燒法、極限氧指數法等是實驗室常用的燃燒性能表征方法，根據這些方法可進行小型燃燒試驗，但由于測試條件的局限性，這些方法只能定性地分析燃燒結果[1-3]。同時，上述方法通常用于比較相同試驗條件下材料的阻燃性能，而無法模擬真實火災環境，因此具有較大的局限性[4]。

目前，研究材料燃燒性能的一種較好的方法是錐形量熱儀(Cone Calorimeter，簡稱CONE)試驗，在試驗中可以由計算機分析得到樣品燃燒過程中釋放熱量、質量變化、煙氣速率和組分等與真實火災具有良好相關性的重要信息[3]。CONE是根據“耗氧原理”設計的儀器，即樣品受熱燃燒時，會消耗氧氣并釋放熱量，一定質量的氧氣對應一定的熱量。經過長時間的測試和計算，證明耗氧燃燒熱的平均值為13.1 MJ/kg，偏差為5%[5]。所以在試驗中，可通過測定氧氣量的變化來得到材料燃燒過程中的熱釋放速率、煙釋放速率等信息，進而推斷所測樣品的燃燒性能。

錐形量熱儀要求測試樣品至少為3 mm厚，而對于很多薄型織物樣品和非織造布樣品而言，難以達到該要求，只能通過增加樣品層數的方法來達到試驗的厚度要求，但是厚度對于測試結果的影響目前尚無系統報道。本文選定40 g/m2的丙綸非織造布為研究對象，以不同層數的樣品為一組，通過錐形量熱儀，系統研究不同疊放層數的丙綸非織造布的燃燒性能，初步探討了疊放層數對薄型織物燃燒性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料與儀器

40 g/m2丙綸非織造布，裁剪試樣400片，每片尺寸均為100 mm×100 mm。分別取5、15、25、35、45片為5個樣品組，每個樣品組含3個平行樣品。在測試樣品盒上端加相同大小的壓力，測得5組樣品的厚度分別為1.10、3.19、5.22、7.49和9.29 mm。

測試儀器為英國FTT公司的錐形量熱儀。

1.2 測試過程

按照標準ASTM E1354/ISO 5660，測試不同層數樣品的燃燒性能。功率為35 kW，燃燒過程中計算機跟蹤各項燃燒參數。不同層數的樣品平行測試3次。

2 結果與討論

2.1 樣品層數對樣品熱釋放速率的影響

圖1為不同層數的樣品燃燒時熱釋放速率(HRR)與時間的關系。

圖1 不同層數樣品的熱釋放速率與時間的關系

對于受到熱輻射的樣品而言，熱輻射導致材料燃燒后其最大熱釋放速率的時間點直接表明了材料受熱發生燃燒的速度。其熱釋放速率的大小也表示了材料燃燒的劇烈程度[6]。

從圖1可以看出，不同層數樣品的熱釋放速率與時間之間的變化規律相似，都是熱輻射到一定時間后織物燃燒并釋放出燃燒熱，達到峰值后迅速下降直至平緩；隨著樣品層數的增加，燃燒時間增加，燃燒釋放熱量的時間延長，最大熱釋放值增加，且出現最高熱釋放的時間延后。

取圖1中每條曲線的峰值為縱坐標，層數為橫坐標作圖，見圖2。由圖2可知，不同層數樣品的熱釋放速率峰值呈較好的線性增加趨勢，即熱釋放速率的峰值與試樣厚度直接相關。

取圖1中每條曲線的積分面積(熱釋放總量)為縱坐標，層數為橫坐標，結果如圖3所示。

圖2 不同層數樣品的熱釋放速率峰值和厚度的變化

圖3 不同層數樣品的熱釋放總量

從圖3可看出，不同層數樣品的熱釋放總量也隨著層數的增加而增大(<35層)，但是當樣品層數超過35后，熱釋放總量出現迅速增大的現象。表明熱釋放總量除了與樣品層數(厚度)有關外，還存在一定的熱累加效應，可能與樣品堆積狀態和放熱過程有關。

紡織品的質量會影響釋放熱量的大小，以熱釋放總量除以不同層數樣品對應的質量，結果如表1所示。

表1 不同層數樣品的單位質量熱釋放總量

從表1可以看出，前4組樣品的單位質量熱釋放總量數值較為接近，而45層一組的數值明顯大于其他4組，這間接證明了疊放層數對樣品燃燒過程中熱釋放的影響還存在其他的熱效應。

2.2 不同層數樣品的煙釋放速率

不同層數樣品的煙釋放速率(RSR)與時間的關系見圖4。

由圖4可以看出，每條曲線的波動性很大，但總體趨勢都是先增大至峰值，然后下降直至平緩；最大煙釋放速率的時間隨著層數的增加有所延后。原因是樣品燃燒時為逐層燃燒，層數較少的樣品在前期燃燒速度較快，燃燒較充分，而層數多的樣品隨著時間的延長才能得到充分燃燒。所以層數少的樣品較快達到最大煙釋放速率，隨著層數的增加時間有所延后。

圖4 不同層數樣品的煙釋放速率與時間的關系

取圖4中每條曲線的峰值為縱坐標，層數為橫坐標作圖，如圖5所示。

圖5 不同層數樣品的煙釋放速率峰值

圖5表明，煙釋放速率峰值隨著層數的增加而增加，但曲線整體呈非線性狀態，超過35層后曲線增幅較大。

取圖4中每條曲線的積分面積(煙釋放總量)為縱坐標，層數為橫坐標，結果如圖6所示。

圖6 不同層數樣品的煙釋放總量

圖6表明，雖然在25層處曲線下降，但總體來說還是呈增長趨勢的。

2.3 不同層數樣品的總釋放熱

不同層數樣品燃燒時的熱釋放總量(THR)與時間的關系見圖7。

圖7 不同層數樣品的熱釋放總量與時間的關系

由圖7可知，隨著樣品層數的增加，總釋放熱也增加；35層與45層兩條曲線的斜率明顯大于其他幾組，再次證明了總釋放熱除與樣品層數(厚度)相關外，還存在一定的熱累加效應。

3 結語

(1)薄型織物的燃燒性能通過熱釋放速率、煙釋放速率等火情參數來表征，不同層數樣品的燃燒性能不同，一般呈線性增加趨勢，即隨著層數的增加，熱釋放速率、煙釋放速率都增加。

(2)樣品疊放層數增加，則各項燃燒性能參數隨之增加，并伴隨熱累加效應。

(3)對于錐形量熱試驗，薄型織物樣品的測試存在一個最佳的層數區間。在本試驗中，15～35層為最佳層數區間；若<15層，樣品數量少而難以進一步分析；若>35層，樣品的燃燒測試結果不準確。在15～35層的區間內，各項火情參數隨著層數的增加呈現較好的線性關系，可較好地分析薄型紡織品的燃燒性能。

[1] 宋新平．阻燃紡織品及其性能測試的發展動態[J]．北京紡織，2000，21(5)：32-34．

[2] 趙雪，朱平，展義臻．阻燃紡織品的性能測試方法及發展動態[J]．染整技術，2007，29(5)： 38-41．

[3] 康佳，王建明，王曉春．常見織物的燃燒性能[J]．毛紡科技，2010，39 (6)：51-55．

[4] 徐曉楠．新一代評估方法：錐形量熱儀(CONE)法在材料阻燃研究中的應用[J]．中國安全科學學報，2003，23(1)：19-22．

[5] 張軍，紀奎江，夏廷致．聚合物燃燒與阻燃技術[M]．北京：化學工業出版社，2005：9．

[6] 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．