典型壁紙熱解和燃燒性能試驗研究

高亞萍，張 順

(1.武警學院 消防工程系，河北 廊坊 065000； 2.張家界市公安消防支隊，湖南 張家界 427000)

典型壁紙熱解和燃燒性能試驗研究

高亞萍1，張 順2

(1.武警學院 消防工程系，河北 廊坊 065000； 2.張家界市公安消防支隊，湖南 張家界 427000)

選取純紙壁紙、壁布和無紡布壁紙作為研究對象，分別對其進行熱分解試驗、煙密度試驗、氧指數(shù)試驗和水平垂直燃燒試驗。研究結果表明：純紙壁紙與壁布熱解過程分為兩個階段，無紡布壁紙分為三個階段；壁布煙密度等級最低，產(chǎn)煙緩慢并且產(chǎn)煙量少；三種壁紙均屬于易燃材料，純紙壁紙氧指數(shù)值最高；三種壁紙均屬于HB75級且壁布與無紡布壁紙水平燃燒速率相對較低。綜合試驗結果表明，壁布相對來說產(chǎn)煙量較少，水平燃燒速率較低，在較高溫度發(fā)生明顯熱解現(xiàn)象，具有較高的安全性。

裝飾壁紙；熱分解；煙密度；氧指數(shù)；水平垂直燃燒

0 引言

隨著經(jīng)濟與科技的發(fā)展，人們的需求不斷提高，普通民眾家庭也開始使用高檔裝飾材料，其中壁紙因為其精美紋理和高檔大氣被廣泛使用。但壁紙是一種易燃材料，在火災中被引燃不僅會產(chǎn)生高溫，而且所產(chǎn)生的煙氣還會阻礙人員逃生，威脅人員安全。所以對不同壁紙的熱解性能以及各項燃燒性能進行研究，以指導壁紙的選用，對保證建筑物內(nèi)人員的生命、財產(chǎn)安全具有重要意義。筆者選取三種典型裝飾用壁紙(純紙壁紙、壁布、無紡布壁紙)，對其分別進行熱解試驗、煙密度試驗、氧指數(shù)試驗和水平垂直燃燒試驗研究，分析不同種類壁紙的熱解性能和燃燒性能，評估其火災危險性，科學反映出不同種類內(nèi)裝飾壁紙對人員的生命及財產(chǎn)安全的影響程度。

1 試驗裝置與材料

試驗裝置：STA449 F3 Jupiter型熱重分析儀；SCY-Ⅰ型建筑材料煙密度測定儀；HC-2型氧指數(shù)測定儀；CZF-3型水平垂直燃燒測定儀。試驗材料：純紙壁紙、壁布和無紡布壁紙，均為市售。

2 試驗內(nèi)容與方案

2.1 熱分解試驗

試驗在35～700 ℃區(qū)間進行，升溫速率15 ℃·min-1，氮氣為保護性氣體，氣體流速30 mL·min-1。

2.2 煙密度試驗

將三種壁紙按照規(guī)范制樣后不添加任何試劑進行燃燒，由試驗箱中光通量的損失測試煙密度。

2.3 氧指數(shù)試驗

在標準試驗條件下，試樣在氧氮混合氣體中，維持平穩(wěn)燃燒所需的最低氧氣濃度(體積百分數(shù))稱為氧指數(shù)。通常氧指數(shù)OI=φF+Kd，其中φF為測試時的最后一個氧濃度(%)；K為系數(shù)，查表得到；d為測試時兩個氧濃度之差[1]。

將三種壁紙按照規(guī)范制樣后不添加任何試劑垂直夾在試驗玻璃筒中，并向試驗玻璃筒內(nèi)通入氮、氧混合氣體。采用頂面點燃法，點燃樣品頂端部分，觀察燃燒情況，記錄燃燒長度及燃燒時間[2]。試樣離點燃端50 mm處畫標線，樣品燃燒時火焰前沿超過標線時或者燃燒時間超過180 s時，記為“×”，降低氧氣濃度；樣品燃燒時的火焰前沿未超過標線時，記為“○”，增加氧氣濃度。反復操作這一流程，氧濃度之差小于等于1.0%時，且一次為“○”，一次為“×”，在高低兩個氧濃度中逼近最后的真實最低氧濃度值即為氧指數(shù)。

2.4 水平垂直燃燒試驗

2.4.1 水平燃燒試驗

在標準試驗條件下，單位時間內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ拈L度稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｋ呛饬炕饎萋映潭鹊闹匾獏?shù)以及判定材料燃燒性能的重要標準。材料的水平燃燒性能分為HB、HB40和HB75級。記錄水平放置的試樣暴露于點火源時，燃燒速率、燒損長度及余焰和余輝時間等參數(shù)。由v=60L/t計算每個試樣的線性燃燒速率并判別其燃燒性能。

將三種壁紙按照規(guī)范制樣后不添加任何試劑固定在水平試樣夾上，在離樣品點火端25 mm和100 mm處標記兩條標線。樣品點火端與金屬篩網(wǎng)邊緣對齊。操作本生燈使其燈管中心軸與水平呈45°角，控制儀器進行試驗，記錄火焰前端到達情況：(1)火焰前端未到達25 mm標線。(2)火焰前端超過25 mm標線，未到達100 mm標線。記錄燒損長度L以及燃燒時間t。(3)火焰前端到達100 mm標線。記錄燒損長度L為75 mm以及燃燒時間。重復操作3次并記錄試驗數(shù)據(jù)，計算樣品的燃燒速率并進行比較分析。

2.4.2 垂直燃燒試驗

將三種壁紙按照規(guī)范制樣后不添加任何試劑固定在垂直試樣夾上，調節(jié)儀器使樣品點火端與燈管頂面距離10 mm。開啟儀器裝置進行試驗，觀察試樣燃燒狀況，記錄余焰和余輝時間，重復操作試驗。根據(jù)標準《塑料 燃燒性能的測定 水平法和垂直法》(GB/T 2408—2008)[3]，材料的垂直燃燒性能分為V-0、V-1和V-2。

3 試驗結果與分析

3.1 熱分解試驗結果與分析

3.1.1 壁紙TG和DTG曲線分析

圖1和圖2分別是三種壁紙的TG和DTG曲線。由于三種壁紙熱解過程大致相似，純紙壁紙和壁布出現(xiàn)2個較為明顯的質量減少階段，無紡布壁紙熱解過程中存在3個較為明顯的質量減少階段，因此下面以無紡布壁紙為例進行分析。35～112 ℃溫度段為無紡布壁紙的第一失重階段，失重主要是因為無紡布壁紙中的水分蒸發(fā)所造成[4-5]；在112～160 ℃溫度段，材料內(nèi)部水分基本蒸發(fā)完畢，失重進行緩慢；160～363 ℃溫度段為無紡布壁紙第二失重階段，失重是無紡布與表面覆蓋物材料共同熱解的結果，此階段失重速度較快；在363～644 ℃以后無紡布壁紙失重速率明顯降低；644～698 ℃溫度段為無紡布壁紙第三失重階段，此階段主要是因為殘留物在反應性氣體中熱解所造成，而后曲線趨于平穩(wěn)，反應剩余物為灰分。三種壁紙在同種條件下的熱解參數(shù)見表1。

圖1 三種壁紙TG曲線

圖2 三種壁紙DTG曲線表1 三種壁紙在同種條件下的熱解參數(shù)

樣品失重階段溫度區(qū)間/℃失重率/%最大失重速率/%·min-1總失重率/%殘?zhí)剂?%純紙壁紙第一階段第二階段35～110240～4483.6550.351.6011.8567.732.3壁布第一階段第二階段35～100360～5112.4382.141.0626.9191.778.23無紡布壁紙第一階段第二階段第三階段35～112160～363644～6983.5253.335.651.4111.473.9177.6722.33

3.1.2 三種壁紙在同種條件下熱解性能的比較

由圖1、圖2和表1可以看出在氮氣氣氛下，三種壁紙在第一失重階段時無論溫度區(qū)間、失重率以及最大失重率差別都不大，故不作具體分析。在第二失重階段，純紙曲線相對于無紡布曲線來說主要失重階段在較高溫度區(qū)，而壁布曲線的主要失重階段相對于另外二者在更高溫度區(qū)，圖2中無紡布與純紙的DTG曲線峰值相差不大，而壁布的DTG曲線峰值相對于前二者較大。這在圖1中表現(xiàn)為：純紙壁紙的第二失重階段溫度區(qū)間相對于無紡布壁紙向高溫區(qū)移動；壁布的第二失重階段相對于前二者來說接近高溫區(qū)，最大失重速率和失重率顯著增大。由圖還可以看出：無紡布壁紙還存在第三失重階段，此階段相對于其余兩種壁紙來說，在溫度區(qū)間相同的情況下具有較大的失重率與最大失重速率。同時，由圖1和表1看出無紡布壁紙的殘?zhí)剂啃∮诩兗埍诩垼诓嫉臍執(zhí)剂縿t小于前二者。三種壁紙本身的化學組分不相同，除純紙壁紙外，另外兩種材料是由一些高分子復合材料組成，在高溫作用下更易于熱解。

3.2 煙密度試驗結果與分析

將純紙壁紙、壁布和無紡布壁紙按照規(guī)范制樣后放入煙密度測定儀中進行燃燒，試驗在23 ℃和相對濕度為48%的標準試驗條件下進行。圖3為三種壁紙燃燒時光吸收率與試驗時間關系的曲線，表2為三種壁紙的試驗數(shù)據(jù)。

圖3 三種壁紙燃燒光吸收率曲線表2 不同壁紙的試驗數(shù)據(jù)

樣品TSP/mm2MSD達到MSD時間/sSDR純紙壁紙12698.5874.515352.91壁布7453.7547.8724031.06無紡布壁紙12717.7977.5324052.99

由圖3可知，燃燒開始階段，純紙壁紙和無紡布壁紙便迅速產(chǎn)生煙氣，產(chǎn)煙率大于壁布。燃燒過程中，壁布、無紡布壁紙邊緣卷曲燃燒，并且壁布迅速熔融炭化形成黑色固態(tài)物質附著在鐵絲網(wǎng)上。曲線下與橫坐標所圍成的面積為總產(chǎn)煙量(TSP)；曲線最高點的光吸收率讀數(shù)為最大煙密度(MSD)；煙密度等級(SDR)即為總產(chǎn)煙量除以縱、橫坐標端點所代表的長度乘積。煙密度等級SDR=1/16(a1+a2+…+a15+a16/2)×100，其中a1,a2,…,a16為每隔15 s的平均煙密度的百分率值[1]。

由表2可知，在標準試驗條件下，純紙壁紙與無紡布壁紙的總產(chǎn)煙量相近并且遠遠大于壁布的總產(chǎn)煙量，三種壁紙的煙密度等級大小排列為：無紡布壁紙>純紙壁紙>壁布。當用這三種壁紙作為室內(nèi)裝修材料的情況下，發(fā)生火災時，純紙壁紙與無紡布壁紙不僅能在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量煙氣，阻礙人員視線，影響人員逃生，而且兩種壁紙迅速燃燒也會增加火災撲救的難度，相對而言，壁布產(chǎn)煙緩慢并且產(chǎn)煙量小，作為室內(nèi)裝修材料更加安全。

3.3 氧指數(shù)試驗結果與分析

表3、表4、表5分別為在標準試驗條件下純紙壁紙、壁布和無紡布壁紙的試驗數(shù)據(jù)。由表3、表4、表5分析得到純紙壁紙燃燒所需的最低氧濃度為22.4%，查表得到K=-0.14；壁布燃燒所需的最低氧濃度為17.4%，查表得到K=-0.46；無紡布壁紙燃燒所需的最低氧濃度為17.2%，查表得到K=-1.25[1]。一般來說，織物OI值低于26.0、介于26.0和32.0、高于32.0分別定義為易燃材料、可燃材料、難燃材料[1,6]。計算可得：純紙壁紙OI=22.372，屬易燃材料；壁布OI=17.31，屬易燃材料；無紡布壁紙OI=16.95，屬易燃材料。分析數(shù)據(jù)可以看出，三種壁紙都屬于易燃材料，在遇到火源后容易發(fā)生燃燒并且迅速擴散，存在不小的安全隱患。對比可以看出，壁布和無紡布都是由化工合成材料組成，在燃燒時不但會釋放有毒氣體，而且氧指數(shù)值相似且都比純紙壁紙低，相對而言更容易在著火時危及人員的安全。

表3 純紙壁紙在標準試驗條件下的試驗數(shù)據(jù)

表4 壁布在標準試驗條件下的試驗數(shù)據(jù)

表5 無紡布壁紙在標準試驗條件下的試驗數(shù)據(jù)

3.4 水平垂直燃燒試驗結果與分析

按燃燒性能測試方法，分別進行純紙壁紙、壁布和無紡布壁紙水平和垂直燃燒測試，試驗數(shù)據(jù)見表6、表7。由表6可知，根據(jù)GB/T 2408—2008，純紙壁紙的平均燃燒速率為69.3 mm·min-1，燃燒性能級別為HB75級；壁布的平均燃燒速率為51.4 mm·min-1，燃燒性能級別為HB75級；無紡布壁紙的平均燃燒速率為58.0 mm·min-1，燃燒性能級別為HB75級。分析三種壁紙水平燃燒性能，雖然都屬于HB75級材料，但是就燃燒速率而言，純紙壁紙的燃燒速率明顯高于其余兩種壁紙。由表7可知，由于三種壁紙的火焰都蔓延至夾具，所以三種壁紙的垂直燃燒性能都為不合格。而且壁布還伴隨著可燃滴落物，這無疑增加了發(fā)生火災時的危險性。

表6 三種壁紙水平燃燒試驗數(shù)據(jù)

表7 三種壁紙垂直燃燒試驗數(shù)據(jù)

4 結論

通過對典型壁紙(純紙壁紙、壁布和無紡布壁紙)的熱分解試驗、煙密度試驗、氧指數(shù)試驗和水平垂直燃燒試驗，研究三種壁紙的熱解性能和燃燒性能，主要結論為：(1)樣品的熱解失重與樣品組分有關，樣品組分不同，熱解過程也不同。壁布相對于其他兩種壁紙而言，需要在相對較高的溫度才出現(xiàn)明顯失重現(xiàn)象，比其他兩種壁紙更具有安全性。從DTG曲線得到，壁布的峰值要比其余兩種壁紙更高，說明在主要失重階段反應更加劇烈。(2)相同試驗條件下，純紙壁紙與無紡布壁紙產(chǎn)煙量遠大于壁布，且從煙密度等級上來看，無紡布壁紙>純紙壁紙>壁布。相對而言，壁布產(chǎn)煙緩慢并且產(chǎn)煙量小，作為室內(nèi)裝修材料更加安全。(3)純紙壁紙、壁布和無紡布壁紙均屬于易燃材料，在空氣中與火焰接觸時燃燒由易到難的順序為無紡布壁紙、壁布、純紙壁紙。(4)三種壁紙水平燃燒性能都屬于HB75級材料，但純紙壁紙的燃燒速率明顯高于其余兩種壁紙，存在的火災危險性更大。三種壁紙的垂直燃燒性能都為不合格。(5)綜合分析，如果僅以三種壁紙作為室內(nèi)裝修壁紙來說，壁布相對安全性更高，火災危險性相對較小。

[1] 楊守生.消防工程專業(yè)實驗[M].北京:中國人民公安大學出版社,2012.

[2] 韋淇峰.阻燃纖維板實用燃燒性能測試法的比較研究[J].廣西林業(yè)科技,2012,41(1):56-58.

[3] 國家合成樹脂質量監(jiān)督檢驗中心.塑料 燃燒性能的測定 水平法和垂直法：GB/T 2408—2008[S].北京:中國標準出版社,2008.

[4] 高亞萍.裝飾用壁紙的熱解特性研究[J].火災科學,2008,17(2):99-104.

[5] 高亞萍.普通壁紙與防火壁紙熱解特性的對比研究[J].火災科學,2010,19(3):138-142.

[6] 李豫偉.極限氧指數(shù)的測試及影響因素探究[J].科技資訊,2014(20):224.

(責任編輯馬龍)

ExperimentalStudyonPyrolysisandCombustionofTypicalWallpaper

GAO Yaping1, ZHANG Shun2

(1.DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China; 2.ZhangjiajieMunicipalFireBrigade,Hu’nanProvince427000,China)

Pure paper wallpaper, wall cloth and non-woven wallpaper have been selected as research objects. Thermal decomposition experiments, smoke density experiments, oxygen index experiments, horizontal vertical burning experiments have been conducted on these research objects respectively. The research results show that the thermal decomposition processes of pure paper wallpaper and wall cloth can be divided into two stages. However non-woven wallpaper can be divided into three stages. The smoke density of the wall cloth is the lowest and less smoke is generated in the slow generation process. The three kinds of wallpapers are all flammable materials, while the oxygen index of pure paper wallpaper is the highest. The HB levels of these wallpapers are all evaluated as HB75 and the horizontal burning rates of the wall cloth and non-woven wallpaper are relatively low. The results of the four experiments show that the smoke generated by wall cloth is the smallest; the horizontal burning rate of the wall cloth is the lowest; the thermal decomposition process of wall cloth occurs obviously at a higher temperature. Therefore wall cloth is relatively safer.

decorative wallpaper; thermal decomposition; smoke density; oxygen index; horizontal vertical burning

2017-07-18

高亞萍(1975— )，女，河北文安人，副教授； 張順(1995— )，男(土家族)，湖南張家界人。

D631.6

A

1008-2077(2017)10-0009-05