典型織物膜材小尺寸燃燒性能試驗研究

馬鮮萌

廊坊市消防救援支隊，河北 廊坊 065000

0 引言

膜結構是由柔性的高強度建筑膜材，經過張拉、充氣、牽引等方式使其產生一定的預應力，進而構成承載一定外部荷載的結構。膜結構具有經濟環保、跨度大、施工簡便等優勢，在體育館等需要快速施工的建筑中備受青睞。膜材是膜結構的主體材料，其在火災中的表現極大影響建筑的穩定性和安全性，研究膜材的燃燒性能對膜結構的穩定性和安全性有重要意義。

目前，國內外關于膜材的試驗研究大多集中在力學性能上，包括剪切試驗、偏軸拉伸試驗等[1-3]。許珊珊等[4]研究PVC膜材的非線性各向導性本構關系的模型，預測PVC在拉—剪應力作用下的力學行為；梁麗寧[1]對PTFE膜材進行雙軸應力松弛試驗，為膜結構施工張拉方案提供一定理論依據；張媛媛等[5]對氣承膜建筑材料進行燃燒試驗，觀察不同高度下氣承膜燃燒的動力學現象，獲得氣承膜燃燒的臨界溫度；宋潔[6]研究織物膜材的抗頂破性能，探討相應的強度準則。然而，研究織物膜材的燃燒性能相較匱乏，且膜結構建筑發生火災會影響建筑的穩定性，因此，研究織物膜材的燃燒性能很有必要。

本文采用小尺寸方式對膜材的紫外老化、熱氧老化及熱輻射強度等進行試驗，觀察各織物膜材的火災動力學現象，分析膜材的引燃時間、熱釋放速率及煙氣釋放等性能，為膜材選取及膜結構安全性提供一定理論依據。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

選取三種不同類型且具有代表性的織物膜材作為試驗材料，這三種膜材分別代表典型的聚氯乙烯(PVC)聚酯纖維膜材、聚四氟乙烯(PTFE)玻璃纖維膜材及熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)膜材，性能方面均在同類膜材中較為適中，且厚度均在1 mm左右，屬于熱薄型材料，如表1所示。

表1 三種膜材的性能參數

1.2 試驗設備和試樣制作

本試驗采用英國FTT公司生產的錐形量熱儀，基于ISO 5660和GB/T 16172標準開展試驗,試驗裝置主要包括引燃試驗臺、氣體分析儀、計算機控制臺和標定氣瓶四部分。將膜材制成100 mm×100 mm的試樣，將制好的膜材試樣用鋁箔紙包住一面，放在鋪有巖棉墊層的試樣托盤上，保證試樣的絕熱條件。然后，蓋以試樣夾，并將多余的鋁箔紙翻出以確保受熱面積為100 cm2。試樣盤由下至上依次為試樣托盤、巖棉墊層、鋁箔紙、膜材試樣、試樣夾。

1.3 試驗方案設計

錐形量熱儀可基于氧消耗原理對材料燃燒時的各項參數進行檢測[7]。本試驗擬定膜材類型、老化類型、老化時間長短、熱輻射強度等四種變量。基于四種變量，開展錐形量熱試驗，觀察膜材在受到熱輻射時的外部形態變化、由輻射開始至有焰燃燒的引燃時間。利用儀器測量材料燃燒過程中的引燃時間、熱釋放速率和煙氣釋放速率等燃燒特性參數。具體試驗方案如表2所示，試驗均在同樣的溫度、濕度條件下進行，受熱面均為膜材外表面，每種試驗條件均重復三次取平均值。通過交叉對比試驗數據，分析出各變量之間的燃燒特性差異或共同點。

表2 熱輻射引燃試驗方案

2 試驗結果與討論

2.1 燃燒過程

在試驗現象方面，PVC膜材與TPU膜材的燃燒過程較為相似，而PTFE膜材始終未發生燃燒，僅在表面涂層發生熱解現象，如圖1所示。

圖1 PVC、TPU與PTFE膜材的試驗形貌

2.1.1 PVC膜材試樣

熱解階段：膜材受到熱輻射后，表面立刻產生白煙，并伴有起泡、熔融，隨后出現明顯的向中心蜷縮成團狀的現象，顏色加深并逐漸炭化；持續熱輻射，煙氣釋放速度逐漸加快，并伴有閃燃。兩種老化處理后的膜材在此階段的現象與未老化膜材類似，不同之處在于膜材老化類型及老化時間長短會直接影響此階段的持續時間。

引燃階段：膜材在引燃前經過充分熱解，且通常會發生閃燃。兩種老化處理后的膜材閃燃現象更為明顯，老化時間越久，閃燃次數越多。

燃燒階段：膜材穩定燃燒，伴有黑煙。膜材幾乎整體呈現熔融狀態向四周流溢，由在熱解階段蜷縮成的團狀最終發展成液態池狀燃燒。隨著燃燒進行，火焰由中間至四周逐漸減小，在膜材燃燒物四周形成局部小火焰并最終熄滅。

燃燒殘余物：膜材在幾種熱輻射強度下均燃燒較為充分，殘余物形態較為統一。由于其涂層部分的熔融流淌，燃燒殘余物均為炭化物，布滿整個試驗盤，且出現裂紋。

2.1.2 TPU膜材試樣

熱解階段：膜材受到熱輻射后，表面產生煙氣，發生熔融、蜷縮現象，經過一定時間的熱輻射后，表面涂層部分全部融為液態物質。兩種老化處理后的膜材在此階段無明顯不同。

引燃階段：膜材引燃前無閃燃現象，膜材經過一定時間的熱輻射后直接發生引燃。

燃燒階段：膜材呈固態穩定燃燒，火焰逐漸減小并最終熄滅。

燃燒殘余物：膜材在幾種熱輻射強度下均燃燒較為充分，殘余物形態較為統一。由于在燃燒過程中的收縮，殘余物為團狀，面積幾乎縮小為原膜材的四分之一，上表面有部分聚酯纖維紋理，其余部位炭化。

2.1.3 PTFE膜材試樣

熱解階段：膜材受到熱輻射后，表面涂層逐漸熱解，出現白煙，伴有起泡，隨后炭化成黑色，最終全部熱解，裸露出玻璃纖維基布。玻璃纖維作為一種無機非金屬材料，具有極高的熔點和燃點，在整個試驗過程中沒有發生明顯變化。

殘余物：膜材在整個試驗過程中沒有發生燃燒，膜材表面涂層部分發生熱解，暴露出玻璃纖維基布，未熱解完全的PTFE涂層發生炭化變為黑色。

2.2 引燃時間

引燃時間是評價聚合物材料著火性能的重要指標之一，其時間長短由材料本身的性質和外部熱源的輻射強度決定。

2.2.1 不同熱輻射強度下膜材引燃時間

圖2是膜材在不同熱輻射強度下的引燃時間。不同膜材在同一熱輻射強度下的引燃時間不同；同一膜材熱輻射強度越大，引燃時間越短；在較低熱輻射強度下，PVC膜材的引燃時間大于TPU膜材，而在較高熱輻射強度時則相反，說明PVC膜材熱解產物燃點較低，更容易被高溫引燃。

圖2 膜材在不同熱輻射強度下的引燃時間

2.2.2 膜材老化處理后引燃時間

圖3是膜材老化后的引燃時間。PVC膜材老化后引燃時間增加，而TPU膜材老化后無明顯變化，說明老化對TPU膜材引燃時間影響較小。PVC膜材紫外老化后的引燃時間在短時間內大幅增長，而后無明顯變化，說明PVC膜材在投入使用初期，紫外光對其影響基本達到飽和。PVC膜材熱氧老化后引燃時間不斷增加，這與PVC發生預氧化作用有關。

圖3 膜材老化處理后的引燃時間

2.3 熱釋放速率

織物膜材的熱釋放速率(HRR)是衡量膜材燃燒劇烈程度的一項重要指標[8]。

2.3.1 不同熱輻射強度下膜材熱釋放速率

圖4是兩種膜材在不同熱輻射強度下的熱釋放速率，總體趨勢上區別較為明顯。同一熱輻射強度燃燒過程中，TPU膜材HRR峰值高出PVC約2～3倍，說明在燃燒初期，TPU膜材熱釋放量更大。隨著熱輻射強度的增大，PVC膜材引燃時間和達到HRR峰值時間的變化趨勢較TPU膜材更大，說明PVC膜材對熱輻射敏感程度更高，且熱輻射越強時，PVC膜材引燃時間越短。

圖4 不同熱輻射強度下兩種膜材熱釋放速率變化曲線

2.3.2 膜材老化處理后熱釋放速率

圖5是PVC膜材老化處理后的熱釋放速率。未老化PVC膜材燃燒釋放的熱量少，HRR峰值只達117.6 kW·m-2。老化處理后HRR值變化較為明顯，這與光解期間聚合物發生復雜的分步光化學反應有關，期間生成其他物質，進而影響材料的HRR峰值。熱氧老化200 h的HRR峰值最大，為153.9 kW·m-2；紫外老化后HRR峰值明顯提高，且老化時間越久，HRR峰值越大，老化300 h時HRR峰值約為未老化膜材的1.6倍。老化后引燃時間也明顯增長，這與分子中基團受到激發生成自由基使活化能升高有關。

圖5 老化處理后PVC膜材的熱釋放速率變化曲線

圖6是TPU膜材老化處理后的熱釋放速率。未老化TPU膜材燃燒釋放出大量熱量，HRR峰值可達467.7 kW·m-2。熱氧老化低于200 h時HRR峰值降低幅度較小，老化300 h時HRR峰值跌至未老化膜材的65%；紫外老化后HRR峰值出現小幅上升，老化300 h時降至未老化膜材的67%。峰值回落后HRR變化趨勢與未老化膜材基本一致，引燃時間無明顯變化。總體上TPU膜材在老化初期HRR變化不大，但經過一段時間后，HRR峰值出現大幅下降，說明膜材在經過一定程度老化后，其燃燒熱釋放能力出現下降趨勢。

圖6 老化處理后TPU膜材的熱釋放速率變化曲線

2.4 煙氣釋放分析

與多數可燃材料一樣，織物膜材在受熱燃燒過程中也會釋放煙氣。煙氣具有毒性、刺激性、減光性等特點[9]，是火災中致人死亡的主要原因之一。

2.4.1 不同熱輻射強度下膜材煙氣釋放分析

圖7(a)是PVC膜材與TPU膜材在不同熱輻射強度下煙氣釋放速率(SPR)。兩種膜材煙氣釋放過程差異較大，但都存在一個峰值。膜材SPR峰值的形成是經過充分熱解、引燃同時燃燒產生大量煙氣的結果。引燃溫度較低時PVC膜材的產煙量遠大于TPU膜材。引燃后，PVC膜材僅在引燃瞬間產生大量煙氣，TPU膜材會持續釋放大量煙氣，引燃后TPU膜材煙氣釋放速率更大。圖7(b)是PVC膜材與TPU膜材在不同熱輻射強度下總煙氣釋放量(TSR)。兩種膜材在不同熱輻射強度下總煙氣釋放量也不同，25 kW·m-2時PVC膜材總煙氣釋放量約為TPU膜材的1.43倍，35 kW·m-2時PVC膜材總煙氣釋放量高出TPU膜材約20.2%，50 kW·m-2時TPU膜材總煙氣釋放量反超PVC膜材約5.8%，達到1 082.7 m3·m-2。這說明在較低熱輻射強度下，PVC膜材引燃前就會釋放出大量煙氣，而TPU膜材在臨近引燃時才開始釋放少量煙氣，從總煙氣釋放量看，PVC膜材高于TPU膜材。在較高熱輻射強度下，兩種膜材都在短時間內被引燃，此時TPU膜材煙氣釋放量和釋放速率要高于PVC膜材。因此，在火災初期或較小火災下，TPU膜材在煙氣釋放方面的性能要優于PVC膜材，但在大規模且起火速度較快的火災中，TPU膜材更差。

圖7 膜材在不同熱輻射強度下煙氣釋放速率和總煙氣釋放量變化曲線

2.4.2 膜材老化處理后煙氣釋放分析

圖8是PVC膜材與TPU膜材老化處理后的煙氣釋放速率。PVC膜材經兩種老化處理后，與未老化相比，在熱解階段SPR值基本未變，在燃燒階段僅SPR峰值出現時間不同。TPU膜材經兩種老化處理后，與未老化相比，SPR值幾乎未變，而經過300 h紫外老化和熱氧老化，SPR峰值分別下降了30.8%和32.2%。說明老化對PVC膜材煙氣釋放的影響主要體現在燃燒階段，而在熱解階段影響較小；老化對TPU膜材的影響主要體現在SPR峰值大小上。

圖8 膜材老化處理后的煙氣釋放速率

圖9是PVC膜材與TPU膜材老化后的總煙氣釋放量。兩種老化對PVC膜材總煙氣釋放量無明顯影響，TSR值基本保持穩定；TPU膜材經過一定時間老化后，總煙氣釋放量出現下降趨勢，但下降幅度較小。對比兩種膜材，PVC膜材總煙氣釋放量要高于TPU膜材。說明紫外老化和熱氧老化對膜材煙氣釋放的影響并不明顯，僅影響PVC膜材SPR峰值出現的時間和引起TPU膜材煙氣釋放量的小幅下降。

圖9 膜材老化處理后總煙氣釋放量變化曲線

2.4.3 煙氣成分分析

煙氣分析儀可通過電化學傳感器對材料燃燒釋放的氣體進行成分探測和濃度測量。通過測量，可以得到不同膜材煙氣成分濃度，如表3所示。

表3 膜材煙氣成分濃度

計算有效劑量分數(FED)，研究煙氣毒害性。根據前人研究，改進后FED計算公式如下：

式中，[Ci]為各有毒組分的測試濃度；LC50Ci為按照統計計算求得的暴露30 min且染毒后14天試驗動物死亡50%的濃度；m，b與CO和CO2相關，若[CO2]>5%，則m=23,b=-38 600，[CO2]≤5%，m=-18,b=122 000。

查閱文獻資料可得氣體的LC50值，將燃燒時各組分氣體濃度最大值分別帶入計算，得到PVC、TPU、PTFE膜材的FED值分別為0.086,0.043,2.774。根據文獻資料[10]，FED<0.1時人員相對安全，FED≥0.1時可能對人員造成傷害。根據膜結構建筑的實際情況，當選用PVC膜材和TPU膜材時，其燃燒產生的煙氣擴散到建筑后FED<0.1，且膜材在燃燒前通常已經發生撕裂破壞，有助于煙氣排出，因此，這兩種膜材在火災中釋放的煙氣不會對人員造成傷害。而PTFE膜材計算后的FED>0.1，且超出安全值27倍，且PTFE受火不易破裂，會將有毒煙氣留在建筑內，對人員造成傷害。總體來說，PTFE膜材在煙氣釋放方面危險性較大，而PVC膜材和TPU膜材釋放的煙氣不會對人造成影響。

3 結論

本文將人工加速老化試驗與小尺寸輻射引燃試驗相結合，探究了三種典型織物膜材在不同熱輻射強度、老化類型及老化時間等影響因素下的燃燒性能，對其老化前后的引燃特性進行了分析。但是本研究織物膜材的類型較少，具有一定的局限性，且在全尺寸試驗方面還有待進一步研究。通過試驗研究三種膜材的燃燒性能，得出如下結論：(1)PTFE膜材耐火性能最好，在試驗中未發生引燃現象，但會發生熱解，釋放大量煙氣。TPU膜材在燃燒時熱釋放速率較PVC膜材更高，燃燒也更為劇烈，因此TPU膜材火災危險性最大；從煙氣釋放看，PVC膜材在熱解和燃燒階段均有煙氣釋放，而TPU膜材煙氣釋放主要集中在燃燒階段。從煙氣釋放量和煙氣成分看，PTFE膜材釋放的煙氣毒性最大，在火災中易對人員疏散造成影響。(2)通過引燃時間判斷出PVC膜材對熱輻射強度的變化更為敏感。煙氣釋放方面，在較低熱輻射強度下，TPU膜材總煙氣釋放量遠低于PVC膜材。隨著熱輻射強度增大，TPU膜材煙氣釋放總量明顯增加，而PVC膜材則出現小幅下降。(3)老化作用對不同膜材燃燒性能的影響存在差異。老化對PVC膜材的影響較TPU膜材更大，兩種老化作用都會使PVC膜材引燃時間增長。在熱釋放速率方面，老化作用會使PVC膜材的燃燒更為劇烈，釋放更多熱量；但TPU膜材在一定程度老化后，其熱釋放速率出現下降趨勢。在煙氣釋放速率方面，TPU膜材在紫外老化與熱氧老化300 h時，其SPR峰值分別下降了30.8%和32.2%；對PVC的影響主要是SPR峰值出現的時間。