室内织物燃烧性能探究

    一、材料与方法

    １．１试验样品与试验工况

    按使用锥形量热仪测定建筑材料热释放的国际标准ＩＳＯ５６６０－１的要求，将样品尺寸截成１００ｍｍ×１００ｍｍ×１８ｍｍ。在实验中，将试样用铝箔包裹其背面和侧面以减少质量损失［４］。为了保证平表面燃烧，用不锈钢网栅夹住试样。由于广泛用于室内的织物多为易燃材料，低强度辐射便能引发燃烧，本文采用各样品热流密度分别为１５、２０、３０ｋＷ／ｍ２时进行实验，对比５种样品的燃烧性能。具体工况设计参数如表１所示。

    １．２仪器设备

    锥形量热仪（ＣｏｎｅＣａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ，ＣＯＮＥ），是原美国国家标准局（ＮａｔｉｏｎａｌＢｕｒｅａｕｏｆＳｔａｎｄ－ａｒｄｓ，ＮＢＳ）的Ｂａｂｒａｕｓｋａｓ等１９８２年研制的，是基于耗氧原理的材料燃烧性能测试仪器［５］。由于燃烧环境极相似于真实的燃烧环境，其试验结果与大型燃烧试验结果之间存在很好的相关性，能够表征出材料的燃烧性能，在评价材料、材料设计和火灾预防等方面具有重要的参考价值，锥形量热仪已经成为研究材料燃烧性能重要的试验仪器之一［６－８］。

    ２实验结果与分析

    ２．１点燃特性

    引燃时间是评价材料点燃特性的一个重要参数［８］。在相同条件下，材料的引燃时间越短，越容易被点燃，火焰也就越容易向周围物质蔓延，因而材料的火灾危险性也就越大。由表２可见，绝大多数样品在不同的辐射热流密度下可以被点燃，点燃时间随热流密度的增大而明显减小。其中，海绵在１５ｋＷ／ｍ２的热流密度下只发生了热解，没有出现明火，这是因为海绵是一种聚氨酯发泡材料，分解温度较低，受热后首先在其表面迅速形成碳层，阻碍了热量传递，只有进一步提高辐射强度，碳层热解后，才能将样品点燃。

    若以热流密度为ｘ轴，点燃时间的均方根倒数为ｙ轴，进行线性回归，可以得到回归方程式（１）～（５）和图１所示的拟合曲线，可以发现此类样品热流密度和点燃时间的均方根倒数有近似线性的关系。

    棉布：ｙ＝０．０５７７ｘ－０．００６４（１）

    牛仔裤：ｙ＝０．０８３１ｘ－０．０２７５（２）

    毛衣：ｙ＝０．０３６４ｘ＋０．０５３（３）

    麻绳：ｙ＝０．０４１８ｘ＋０．０４８４（４）

    海绵：ｙ＝０．２４９ｘ－０．２４９３（５）

    拟合曲线的斜率从大到小排序为海绵、棉布、牛仔裤、麻绳、毛衣，表明海绵等高分子塑料的点

    燃性能远大于动、植物等天然纤维编织的材料的点燃性能。以棉纤维为主的棉布、牛仔裤材料，由于牛仔裤编织结构较为密实，其拟合曲线的斜率大于棉布，这说明材料组织结构的疏密程度对材料的引燃难易程度的影响不能忽视。

    ２．２热释放速率

    热释放速率是描述火灾过程的重要参数之一，体现了火灾中能量释放的大小，是决定火灾发展变化和火灾危险程度的基本参数［９］。热释放速率峰值表征材料燃烧时的大热释放程度［９］。平均热释放速率的大小则表征了材料燃烧过程中的平均热释放程度。平均热释放速率越大，说明这种材料燃烧得越猛烈。

    从图２～３结果分析，织物材料的燃烧特征［１０］与热流密度有关。测试几种热流密度下，测试的几种常见织物的释放速率与时间曲线大都呈初始平坦阶段—放热—后期趋于平坦的特征。而动物纤维、植物纤维等材料的织物呈现了在燃烧前期存在一个平台，而后曲线上升，还出现双峰，这是因为此类材料热解初期形成的炭层有覆盖和隔热作用，使得热量向试样内部传递速度下降，延缓了材料的热解燃烧速率，后期因为热积累作用导致炭层被破坏而出第二释热峰。

    对于动物纤维、植物纤维等材料的织物，随着热流密度的增加，各材料的初始放热时间明显减少。这是由于试样的回潮率影响，水分的蒸发延缓了释热。在纤维织物中，棉纤维回潮率为１１％，亚麻纤维回潮率为１２％，而净毛回潮率为１４％～１５％，因此，毛衣织物需吸收更多的热量蒸发水分才能燃烧，而棉比亚麻纤维做成的麻绳燃烧放热时间稍早。

    织物组织结构的疏密程度对织物燃烧热释放速率也有影响。棉布和牛仔裤同为棉纤维材质，但由于牛仔裤质地紧密（如辐射强度为２０ｋＷ／ｍ２时，牛仔裤密度为０．９３ｋｇ／ｍ２，棉布为０．５５ｋｇ／ｍ２），其初始放热时间大于牛仔裤，但牛仔裤热释放速率峰值和平均值大于普通棉布。

    ２．３质量损失速率

    质量损失速率是试样的热分解燃烧速率，可以反映出材料在一定热流密度下的热裂解行为［１１］。表４是不同辐射热流密度下各织物材料的质量损失速率峰值与平均值，结合表３～４中的数据，可以发现：各织物的质量损失速率越大，热释放速率也越大，说明高热作用导致聚合物分解加速。动物纤维类织物的平均质量损失速率要高于织物类织物，这表明在相同辐射强度加热条件下，其热解程度更激烈。

    ２．４烟气释放性能及毒性

    在建筑火灾中，由于供氧有限，且多为不完全燃烧，火灾烟气中往往含有大量有毒有害气体，火场的能见度低，影响人员逃生。据统计建筑火灾中丧生的人，８０％以上是吸入了火场有毒烟气而死。因此，材料燃烧时的烟气释放速率是评价材料对火灾贡献的一个重要指标［１２－１３］。

    根据热释放速率曲线（如图２～３所示）和烟释放速率曲线（如图４～５所示）对应比较，可以看出：随着热释放速率的增大，各样品开始释放烟气的时间提前，且在热释放速率达峰值时出现一个大值；尔后，又随着热释放速率的降低而减小。经比较可以发现海绵释烟速度快，在４０～５０ｓ释烟速率达到峰值，这符合高分子塑料的热解特征［１０］；动植物纤维织物中，烟气释放能力排序为毛衣＞牛仔裤＞麻绳＞棉布。

    建筑火灾烟气中的毒气以ＣＯ为常见，当空气中ＣＯ的含量超过一定量就会对人体产生伤害，因此，ＣＯ体积分数也是衡量材料火灾危险性的重要参数。从图５～６可以看出，海绵的热解使ＣＯ体积分数迅速攀升，能够在极短时间内达到峰值；毛衣热解后ＣＯ体积分数也迅速攀升，而且攀升幅度大；棉布、牛仔裤等棉纤维类织物ＣＯ体积分数随时间变化趋势相同，都出现了两个峰值，但由于牛仔裤的编织密度大于棉布，ＣＯ体积分数峰值更高；亚麻纤维织物虽然比棉纤维织物较早发生热解，但其ＣＯ体积分数相对较低。在５种试验样品ＣＯ生成能力排序为海绵＞毛衣＞牛仔裤＞棉布＞麻绳。

    三、结论

    利用锥形量热仪在热流密度为１５、２０和３０ｋＷ／ｍ２的条件下对５种常见的室内织物的燃烧性能进行了实验研究，分析比较了火灾危险性，得到结论。

    １）海绵等高分子材料的点燃性能远大于动、植物等天然纤维编织的材料的点燃性能。从点燃特性上比较，５中织物的点燃能力从大到小排序为海绵、棉布、牛仔裤、麻绳、毛衣。

    ２）在测试几种热流密度下，测试的几种常见织物的热释放速率与时间曲线大都呈初始平坦阶段—放热—后期趋于平坦的特征。而由于初期热解形成炭层的影响，动物纤维、植物纤维等材料的织物呈现了在燃烧前期存在一个平台，而后曲线上升，出现双峰特征。

    ３）回潮率的不同影响了织物的初始放热时间。毛衣织物需吸收更多的热量蒸发水分才能燃烧，而棉比亚麻纤维做成的麻绳燃烧放热时间稍早。

    ４）对于同种材料编织的织物，组织结构的疏密程度影响了织物的热释放速率。例如牛仔裤密度大于棉布，其初始放热时间长，但牛仔裤热释放速率峰值和平均值大于普通棉布。

    ５）动物纤维类织物的平均质量损失速率要高于织物类织物，这表明在相同热流密度加热条件下，其热解程度更激烈。

    ６）烟气释放能力排序为海绵＞毛衣＞牛仔裤＞麻绳＞棉布，而ＣＯ生成能力排序为海绵＞毛衣＞牛仔裤＞棉布＞麻绳。因此，室内织物的火灾危险性排序为海绵＞羊毛类织物＞棉类织物＞亚麻织物。

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