電動自行車可燃部件燃燒特性研究

作者簡介：胡嬈（1974— ），女，漢族，湖南湘潭人，本科，助理研究員（特聘副研究員），研究方向：滅火理論。"" 摘要：近年來，電動自行車火災數量持續增長，亡人火災較多。本文對電動自行車的主要可燃部件燃燒特性展開研究，通過錐形量熱實驗和氧指數實驗考察可燃部件的燃燒特性，進而從熱危險和煙危險兩個方面評價材料的火災危險性。結果表明，以ABS工程塑料和聚丙烯為主要成分的車架是熱危險性的決定性因素，橡膠輪胎是煙氣危險性的決定性因素。本文可為制定相應產品標準提供依據，為提高電動自行車消防安全性能、減少火災損失提供專業意見。

關鍵詞：消防；電動自行車；燃燒特性；危險性

引言

電動自行車憑借其經濟、輕捷的優點，已成為人們不可或缺的短途交通工具。在所有電動自行車火災遇難者中，約有3/4的人系吸入有毒煙氣導致，因高溫和灼燒造成的死亡人數僅占全部死亡人數的1/4。這是由于電動自行車車身采用了許多可燃材料，在起火燃燒時會產生高溫高熱和有毒煙氣，造成人員逃生困難，特別是吸入煙氣后，短時間內即會造成休克和死亡。

一、電動自行車的可燃部件概述

電動自行車可燃材料的火災危險性主要由燃燒時的熱危險性和煙氣危險性決定^[1]。電動自行車的可燃部件主要包括外殼、鞍座和輪胎等，均為高分子材料（見表1）。根據對目前市場上多種品牌產品的調研，一臺普通型電動自行車采用的高分子材料部件平均質量約為5.4kg，豪華型電動自行車約為8.6kg。輪胎和車架是高分子材料用量最多的部件，輪胎的主要成分是橡膠，車架的主要材料是ABS工程塑料和聚丙烯（PP）。輪胎和車架的質量占可燃部件總質量的87%以上。

為規范電動自行車質量管理，2018年5月，《電動自行車安全技術規范》（GB17761-2018）正式發布；2018年7月，國家市場監督管理總局發布公告，電動自行車將由工業產品生產許可證管理轉為3C認證管理；自2019年4月15日起，電動自行車全面執行新國標與3C認證。本文基于上述目的，對電動自行車主要可燃部件的燃燒特性展開分析，進而從熱危險和煙危險兩個方面考察材料的燃燒性能，評價不同部件的火災危險性，為提高電動自行車消防安全性能提供專業意見和建議。

二、電動自行車主要可燃部件的燃燒性能測試

實驗材料包括ABS工程塑料、聚丙烯（PP）、橡膠、聚氨酯泡沫（PUF）、聚氯乙烯（PVC）、尼龍（PA66）和聚氨酯人造革（PU），均由電動自行車生產企業提供。采用英國FTT公司2000型雙柜式錐形量熱儀對實驗材料進行燃燒性能測試。根據ISO554的規定，實驗前將試樣放置在溫度為（23±2）℃、相對濕度為（50±5）%的條件下養護至質量恒定。實驗采用的熱輻射照度為50kW/m²，并記錄持續燃燒時間、熱釋放速率、放熱總量、質量損失率、有效燃燒熱、CO₂摩爾分數、CO摩爾分數和發煙總量。采用上海千實精密機電科技有限公司F101D型氧指數測定儀進行氧指數測定，測試方法依據《塑料用氧指數法測定燃燒行為第2部分：室溫試驗》（GB/T2406.2-2009）。采用德國MRU公司的NOVAPLUS煙氣分析儀對燃燒產生的氣體進行成分檢測。

三、實驗結果

（一）熱釋放速率

熱釋放速率（HeatReleaseRate，簡稱HRR）是指在預置的入射熱流強度下，材料被點燃后單位面積的熱量釋放速率。圖1為電動自行車主要可燃材料的熱釋放速率。這些材料在10s—30s開始發熱，ABS、PP、橡膠、PUF、PVC和PU的熱釋放速率迅速上升，在15s—110s陸續達到峰值。ABS、PP和PU三種材料的熱釋放速率達到峰值后迅速下降，至180s基本完全燃燒，而其他四種材料表現為穩定、緩慢燃燒。平均熱釋放速率（MeanHRR）和峰值熱釋放速率（PkHHR）見表2。平均熱釋放速率越大，材料燃燒越猛烈，火災危害性越大^[2]。

（二）總釋放熱

總釋放熱（TotalHeatRelease，簡稱THR）是指在預置的入射熱流強度下，材料從點燃到火焰熄滅為止所釋放熱量的總和。將HRR與THR結合起來，可以更好地評價材料的燃燒性和阻燃性。圖2為電動自行車主要可燃材料的總釋放熱，材料燃燒時釋放的熱量隨時間變化的趨勢同其在熱釋放速率測試中的表現是一致的。

總釋放熱測試結果見表2。單從THR數值來看，PA66的火災危險性最大；結合HRR的變化情況，ABS和PP的峰值熱釋放速率較高，同樣具有使火災擴大的危險；橡膠在熱危險性方面并不顯著。

（三）有效燃燒熱

有效燃燒熱（EffectiveHeatCombustion，簡稱EHC）表示在t時，所測得熱釋放速率與質量損失速率之比，反映了揮發性氣體在氣相火焰中的燃燒程度。有效燃燒熱測試結果見表2，平均有效燃燒熱（MeanEHC）最大的三種材料為PP、ABS、PA66。

（四）質量損失速率

質量損失速率（MassLossRate，簡稱MLR）是指樣品在燃燒過程中質量隨時間的變化率。它反映了材料在一定火強度下的熱裂解、揮發及燃燒程度。質量損失速率測試結果見表2，平均質量損失速率（MeanMLR）最高的材料是PA66、PVC和ABS，表明其熱分解過程較為迅速。

（五）總產煙量

總產煙量（TotalSmokeRate，簡稱TSR）表示單位樣品面積燃燒時的累積生煙總量。所有材料在5s—10s的時間內都開始產生煙氣。材料在被點燃前就開始產生煙氣，主要是由于高聚物熱裂解。橡膠的產煙量遠遠大于其他6種材料，約是ABS的23.6倍、PA66的21.7倍、PVC的16.9倍。橡膠輪胎燃燒釋放的煙氣是電動自行車燃燒產煙的主要來源，其他材料在煙氣危險性方面均不顯著。

（六）總耗氧量

總耗氧量（TotalOxygenConsumed，簡稱TOC）指有機物的總含碳量。總耗氧量測試結果見表3，電氣絕緣材料PVC和PA66表現出了較高的耗氧量，而其他材料的耗氧量均不高。

（七）氧指數

氧指數是指在（23±2）℃和氧氮混合氣體環境下，剛好維持材料燃燒的最小氧濃度。氧指數高表示材料不易燃燒，氧指數低表示材料容易燃燒。《建筑材料及制品燃燒性能分級》（GB8624—2012）將材料（制品）燃燒性能分為四個等級：A級稱為不燃材料（制品）；B₁級稱為難燃材料（制品）；B2級稱為可燃材料（制品）；B₃級稱為易燃材料（制品）。電動自行車主要可燃材料的氧指數見表3。除PVC為B₁級（難燃材料）外，其他材料均為B₃級（易燃材料）。因此，必須添加適量的阻燃劑或采取適當的方法阻燃改性，以達到阻燃性能及相關安全性能的要求。

（八）燃燒釋放的氣體成分

電動自行車主要可燃材料燃燒釋放的氣體成分見表4。所有材料燃燒都會釋放出CO和CO₂，其中CO是有毒氣體；ABS、PUF和PA66燃燒會釋放出劇毒的HCN，致人昏迷；ABS和PU會釋放出NO，在空氣中容易發生氧化反應生成NO₂，造成呼吸系統失調；PVC燃燒會釋放出HCl氣體和光氣，對眼睛和呼吸道黏膜有強烈的刺激作用；PA66燃燒會釋放出NH₃，對黏膜有刺激作用；橡膠輪胎燃燒會釋放出H₂S，是強烈的神經性毒物。

結語

電動自行車主要可燃材料的火災危險性主要由燃燒時的熱危險性和煙氣危險性決定。從錐形量熱檢測和氧指數檢測中得到的各項參數可基本反映出材料的火災危險性。HRR、THR、EHC越大，熱危險性越大；TSR越大，煙氣危險性越大；OI越小，燃燒條件越容易達到。參數對比表明，ABS、PP、PA66的熱危險性最高；由于PA66用于電氣接插件絕緣材料，與引火源靠近，其阻燃性能的好壞決定了其起燃的熱危險性大?。籄BS和PP具有較高的峰值熱釋放速率，在實際火場環境中極易被點燃，具有較大的引燃熱危險性、放熱危險性和火焰傳播危險性，是電動自行車火災熱危險性的決定性因素。參數對比同時說明，橡膠產煙量遠遠高于其他6種材料，橡膠在電動自行車可燃材料用量中占比較大，是電動自行車煙氣危險性的決定性因素。

參考文獻

[1]舒中俊，徐曉楠，楊守生，等.基于錐形量熱儀試驗的聚合物材料火災危險評價研究[J].高分子通報，2006（05）：37-44.

[2]季經緯，楊立中，范維澄.外部輻射熱對材料燃燒性能影響的實驗研究[J].燃燒科學與技術，2003，9（02）：139-143.