水噴淋壓力對聚氨酯燃燒的抑制作用研究

康銘洋 趙恒澤 楊云杰

摘要：聚氨酯主要分為硬質聚氨酯（RPU）和聚氨酯軟泡（FPU），其具有較強的火災危險性，前者主要應用于外墻保溫領域，后者廣泛使用于各種家具。本文主要采用水噴淋對FPU和RPU燃燒進行滅火實驗，來研究噴淋壓力對平均火焰高度的影響規律。結果顯示，施加水噴淋后，平均火焰高度迅速降低;增加噴淋壓力能有效抑制聚氨酯材料燃燒，噴淋壓力為0.3MPa時抑制作用達到頂峰，再增加噴淋壓力作用效果并不明顯。

關鍵詞：水噴淋;聚氨酯;火焰高度

聚氨酯材料（PU）是聚氨基甲酸酯的簡稱，英文名稱是polyurethane，是一種化學合成聚合物，通常由異氰酸酯與多元醇反應得到。本文選用的燃燒材料是聚氨酯的兩種不同品種：聚氨酯軟泡（FPU）與硬質聚氨酯（RPU），前者廣泛使用于各種家具，當發生燃燒后，會融化形成流體，引發池火災，并且由于其流動特性，火災的可控性很差;后者主要應用于外墻保溫領域，硬質聚氨酯保溫材料（RPU）因其質量輕、保溫隔熱性能優越且穩定性好等特點被廣泛應用于高層建筑中，但其含有大量的易燃片段以及高的比表面積，在高溫下會急劇分解為可燃氣體使其燃燒蔓延速度極快，形成立體燃燒。兩種材料均易燃燒并產生大量CO和HCN等有毒煙氣，極易造成人員傷亡。

一、實驗及數據處理方法

（一）實驗材料及過程

本實驗采用高50cm，寬10cm，厚2cm的FPU與RPU板，兩邊包裹上錫箔紙（為了防止火焰燒到石膏板影響數據分析）分別放置在一塊帶有同樣大小凹槽的石膏板上進行實驗。

CO、HCN濃度傳感器（CLE-0052-400）（CLE-0731-400）置于距離材料底部約100cm處，在距離材料水平15cm處放置輻射熱流量計，水噴淋所用噴頭安放在距離物體表面水平約70cm，距離地面垂直120cm處，角度為50°，如圖 1所示。

為了獲得更為精確的點燃條件，采用了用于引燃豎直壁面可燃材料的線性點火源，以高純度丙烷氣作為燃料，丙烷氣體流量為250ml/min。此外，實驗全程通過索尼數碼相機（25幀/秒）進行全程錄制。

利用點火裝置從底部將兩種聚氨酯材料點燃，這時開始計時，燃燒至十分鐘時開啟水噴淋裝置，直至將火焰完全熄滅為止。分別改變噴淋壓力為0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa，進行實驗。其中，不同壓力對應的體積流率和噴淋流量如表1所示。

（二）數據處理

對于攝像機采集到的火焰視頻數據，利用MATLAB圖像數據處理技術，從視頻中讀取每一幀的火焰燃燒圖像，利用rgb2gray函數將RGB圖像轉換得到灰值圖，同時剪出目標區域圖像，對其進行濾波處理，使濾波后圖像邊界更清晰，再對其圖像矩陣尋找火焰最高點，最后通過比例尺轉換的方法得到火焰的實際高度，并作圖 2。

二、不同噴淋壓力對平均火焰高度的影響

圖2a為FPU材料被噴淋壓力分別為0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa的水抑制時的平均火焰高度，可以明顯觀測到施加水噴淋后，平均火焰高度迅速降低。隨著噴淋壓力的增加，同一時刻FPU平均火焰高度逐漸降低，噴淋壓力為0.3MPa、0.4MPa時噴淋抑制效果變化不大。圖2b為RPU材料被噴淋壓力分別為0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa的水抑制時的火焰高度，可以發現施加水噴淋后，火焰高度同樣迅速降低。隨著噴淋壓力的增加，同一時刻RPU平均火焰高度逐漸降低，同樣的，噴淋壓力為0.3MPa和0.4MPa時，施加噴淋后，二者的平均火焰高度變化不大。可見，從平均火焰高度變化的情況來說，無論對于FPU還是RPU，最佳噴淋壓力都是0.3MPa。

三、結語

本文采用聚氨酯軟泡（FPU）與硬質聚氨酯（RPU）材料進行水噴淋抑制其燃燒實驗，研究了噴淋壓力對平均火焰高度的影響規律，研究表明施加水噴淋后對抑制聚氨酯燃燒效果明顯，增大噴淋壓力可以抑制材料燃燒，在噴淋壓力為0.3MPa時抑制作用達到頂峰，再增加噴淋壓力抑制作用效果并不明顯。從而得出本實驗結論：無論是對于RPU還是FPU燃燒來說，噴淋壓力為0.3MPa時抑制效果最好。

參考文獻：

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作者簡介：

康銘洋（1997—），女，滿族，河北承德人，2020年本科畢業于華北理工大學，就讀于華北理工大學安全工程專業二班。

趙恒澤（通信作者）（1988—），女，山西運城人，華北理工大學安全工程專業講師。

基金項目：

河北省自然科學基金項目（No.E2018209338）