豎向間距對PMMA材料火蔓延行為影響研究

作者簡介：

徐昕（1987- ），男，漢族，江蘇徐州人，博士，講師，研究方向：消防工程、火災科學。

基金項目：

江蘇省高等學校自然科學研究項目“不同間距對PMMA豎向火蔓延行為與熱流傳輸機制影響研究”（項目編號：21KJD620001）。本論文得到“江蘇高?！嗨{工程’資助”。

摘要：

PMMA材料廣泛應用于建筑外立面，一旦起火極易蔓延。本文以小尺寸實驗的方式研究了不同豎向間距下，PMMA材料的起火蔓延情況。結果表明：隨著豎向間距的增加，火焰高度、火焰厚度和最高表面溫度均呈下降趨勢。豎向間距的存在，削弱了下部火焰對試樣的有效加熱，減小了預熱區的長度，從而降低了火焰前鋒的蔓延速度和質量損失速率，延長了熱解所需的時間。

關鍵詞：豎向間距；建筑外立面；火蔓延；PMMA

引言

PMMA作為較為常見的聚合物材料，由于其透明度高、美觀性好，廣泛應用于室內裝飾和建筑外立面采光等多個領域。未經阻燃處理的該類材料具有很高的火災危險性，在外部熱量的作用下，PMMA材料會發生熱解甚至燃燒，一旦起火，火勢極易蔓延，并放出有毒有害、刺激性氣體。目前，國內外學者對于聚合物材料的熱解和燃燒行為做了一系列研究，其中賴迪蒙[1]研究了環境風速對建筑外墻PMMA材料熱解和著火過程的影響。朱輝等人[2]采用薄型PMMA研究了材料與墻體之間的空間距離對火蔓延過程的影響。殷向偉[3]通過對熱解前鋒進行監測，得到了凹形外墻結構因子對PMMA材料順流火蔓延的影響。An等人[4]通過改變試樣的寬度和角度開展了一系列保溫材料火蔓延實驗，建立了傳熱以及熔融物流動的火蔓延模型。Tsai等人[5]研究了PMMA材料寬度對火焰擴散的影響，并提供了火焰擴散速率和寬度的相關性。材料的寬度、厚度、角度和環境等外界因素都對建筑外立面火災產生巨大影響。然而，在建筑立面中，PMMA材料以陣列的方式存在，其材料間的豎向間距對于火災的發生、發展有著獨特的影響。因此，本文采用小尺寸的實驗方式探究了不同豎向間隔對PMMA豎向火蔓延的影響。

一、實驗方案

圖1為小尺寸豎向火蔓延的實驗示意圖。實驗支架為高0.8m、寬0.2m的不銹鋼框架，中間鑲嵌一塊硅酸鋁防火板材，本次實驗的樣品PMMA塊被固定在防火板材上。實驗所使用的PMMA尺寸為寬10cm、高8cm、厚1cm，PMMA板塊之間的豎向間距可隨需要進行改變。在本次實驗中，通過改變試樣之間的豎向間距D，分析不同豎向間隔對燃料豎向火蔓延的影響。使用丁烷氣瓶對PMMA下板末端進行均勻加熱，并在完成點火后關閉氣瓶。當火焰前端蔓延到距最后一塊PMMA板頂端處時，停止所有數據采集，并人為將火焰熄滅。

實驗裝置的正面和側面分別有一臺數碼相機記錄火蔓延實驗的全過程，通過圖像處理軟件得到火蔓延過程中火焰高度和火焰厚度隨時間的變化關系。正面的紅外熱像儀用以記錄PMMA在燃燒過程中的表面溫度變化，并通過相關軟件對紅外數據進行處理，以等溫線追蹤的方式得到PMMA熱解前鋒位置隨時間的變化關系。在實驗裝置下方，精度為0.1g的電子天平用于記錄火蔓延實驗過程中PMMA材料的質量變化情況。本次實驗共設計5個工況，詳細信息和編號如表1所示。

二、實驗現象與分析

（一）火焰幾何參數

火焰高度和厚度是火焰非常重要的幾何特征?；鹧娓叨仍礁?，火焰越容易點燃上部的可燃物，從而擴大災難范圍?；鹧婧穸仍胶?，PMMA表面接收到的輻射熱反饋越強，火勢蔓延越快[6]。圖2為不同豎向間距下總高度隨時間的變化曲線圖。在燃燒初始階段，所有工況并無明顯差別，隨著燃燒不斷進行，火焰高度逐漸增加，開始出現差異。豎向間距為4cm工況時，火焰最先到達峰值，隨著豎向間距長度的增加，火焰達到峰值的時間隨之增加。在燃燒增長階段，火焰高度隨著豎向間距的增加而逐漸減小。

圖3展示了不同工況下側面相機所記錄的火焰厚度隨時間的變化趨勢圖，與火焰高度隨時間的變化趨勢一致。在燃燒初始階段，各工況火焰厚度無明顯差異，隨著燃燒進程的進行，火焰厚度逐漸增加。當豎向間距較小時，火焰體跨過間距對上一層PMMA加熱，兩塊試樣板同時燃燒，火焰體疊加，出現合并現象，火焰體的高度和厚度都有明顯的增大趨勢。隨著豎向間距的增加，火焰體能夠加熱到的試樣有限，火焰厚度逐漸減小。

（二）火焰前鋒蔓延速率

火焰前鋒蔓延速度是表征火災危害性的重要參數。在燃燒初期和增長階段，火焰前鋒以一定的速度移動，逐漸趨于穩定[7]。通過對火焰前鋒沿豎直方向移動的距離在單位時間內的斜率，可以得到火焰前鋒蔓延速率[8]。

vf=dxfdt=xf（t+Δt）-xf（t）Δt（1）

式中：vf為火焰前鋒蔓延速率，cm/s；xf為火焰前鋒處的豎向位置，cm；t為時間，s；Δt為某一段單位時間，s。

圖4展示了不同豎向間距下火焰前鋒蔓延速度實驗和擬合曲線圖。由圖可知，隨著豎向間距的增大，火焰前鋒蔓延速率逐漸降低。根據Quintiere等人[9]得到的固體火蔓延速度表達式：

vf=4qf2Lpπksρscs（Tp-T0）2（2）

式中：qf表示固體表面所接收的熱流，KW/m2；Lp為預熱區的長度，cm；ks表示火焰的吸收系數；ρs表示樣品的密度，Kg/m3；cs為樣品的比熱容，KJ/（Kg·K）；Tp為熱解溫度，℃；T0為環境溫度，℃。

從公式（2）中可以看出，火焰前鋒蔓延速度取決于預熱區的長度Lp，預熱區越長，火焰前鋒處更多的未燃材料被加熱釋放出可燃氣體[10]，火焰前鋒蔓延的速度越快。

圖5為不同豎向間距下，相同火焰長度Xf和預熱長度Lp的對比。由圖可知，當豎向間距較小時，火焰可以跨過豎向間距，對上部PMMA進行加熱。此時有效預熱長度Lp=Xf-D。隨著豎向間距的增大，火焰無法跨過豎向間距，對上部PMMA加熱，此時有效預熱長度Lp＜Xf-D。因此，隨著豎向間距的增大，有效預熱長度逐漸減小，火焰前鋒的蔓延速度隨之減小。

（三）質量變化情況

PMMA所代表的非碳化材料在受到外部輻射熱流后，產生熱解氣體，氣體逸出樣品表面，導致試樣出現質量損失。圖6顯示的是不同豎向間距下質量隨時間的變化情況。

由圖可知，在燃燒初始階段，各工況下質量變化無明顯差異，隨著燃燒進程的推進，工況質量變化量最大，且隨著豎向間距的增大，質量變化量逐漸減小。Delichatsions[11]對氣相火焰燃燒進行量綱分析發現，氣相火焰的氣流特征速度與火焰高度存在正比關系。

u∝ΔTT0gHf（3）

其中，u表示氣相火焰的氣流特征速度，cm/s；ΔT=Tf-T0，Tf表示火焰溫度，℃；T0表示環境溫度，℃；Hf表示火焰高度，cm；g表示重力加速度，m/s2。定義為火焰前沿質量損失速率，g/s。

Qconv=（1-xRxA）Qch∝Cp（Tf-T0）（4）

其中，Qconv為單位時間對流換熱速率，J/s；Qch為單位時間熱釋放速率，J/s；xR為化學反應有效系數，xA為輻射有效系數。

∝2ρ0uHf（5）

通過整理得出公式（6）：

Hf∝QchΓ2ρ0CpT0g1/22/3ΔTT0-1（6）

Γ=1-xRxA（7）

單位時間熱釋放速率與質量損失速率的線性關系：

Q·ch=m·ΔH（8）

其中，m·為質量損失速率，g/s；ΔH為燃燒熱，J/g。

Hf∝m·ΔHΓ2ρ0CpT0g1/22/3ΔTT0-1（9）

由于式（9）中常量較多，故簡化上式，可得：

Hf∝m·2/3（10）

同火焰前鋒的蔓延速率一樣，由質量隨時間的變化得出質量損失速率，并與火焰高度擬合得出圖7。

質量損失速率隨火焰高度呈線性增長，且二者均隨豎向間距的增大而減小。

（四）熱解前鋒

圖8為將紅外數據以等溫線追蹤的方式得到的PMMA熱解前鋒位置隨時間的變化關系。由圖可知，隨著豎向間距的增加，整體的熱解時間增長，即熱解速率逐漸降低。在豎向間距為4cm和6cm時，同一工況下相鄰PMMA試樣存在同時熱解的情況，導致整體熱解時間變短。在10cm和12cm工況下，相鄰兩塊PMMA試樣間存在明顯的停頓時間，同時單塊試樣的熱解時間顯著增加，導致整體熱解時間增長。出現上述差異的原因為豎向間距增大，導致預熱區減小，熱量大量散失，熱解速度降低。

三、研究結論

本文通過小尺寸實驗研究的方式，探究了應用于建筑外立面中常見PMMA材料在不同豎向間距影響下的火蔓延特性。主要得到以下結論：隨著豎向間距的增加，火焰高度、火焰厚度和最高表面溫度均呈下降趨勢；豎向間距的存在，削弱了下部火焰對試樣的有效加熱，減小了預熱區的長度，從而降低了火焰前鋒的蔓延速度和質量損失速率；由于豎向間距內熱量的大量散失，導致熱解前沿在相鄰兩塊PMMA試樣間蔓延時，所需時間明顯增長；對以陣列方式排布在建筑外立面的PMMA材料來說，增大材料之間的豎向間距，可顯著的降低其發生火災的危險性，對于建筑外立面防火設計具有指導性意義。

結語

通過開展不同豎向間距影響下非連續分布PMMA表面火蔓延實驗，系統分析了火焰高度、熱解前鋒、火蔓延速度等關鍵特性參數的變化趨勢。研究成果加深了對固體可燃物火蔓延行為及傳熱機制的理解，可為優化建筑外立面防火設計和滅火救援提供一定的理論支撐。

參考文獻

[1]賴迪蒙.環境風影響下PMMA熱解及著火溫度的實驗和模型研究[D].中國科學技術大學，2021.

[2]朱輝，朱國慶，陳清泉，等.間距對熱薄型PMMA滴落行為的影響研究[J].消防科學與技術，2016，35（10）：1355-1358.

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[4]An Weiguang，Peng Lujun，Cai Minglun，et al.Thermodynamic and Kinetic Characteristics of Combustionof Discrete Polymethyl Methacrylate Plateswith Different Spacingsin Concave Building Facades[J].Polymers，2021，13（01）：112-118.

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