●王思迪，舒中俊

(武警學(xué)院 a．研究生隊(duì);b．消防工程系，河北 廊坊 065000)

0 引言

聚合物材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性是指材料受熱或遇火時(shí)能發(fā)生燃燒，形成火災(zāi)，造成危害的潛在特性。從造成危害的原因來(lái)看，聚合物材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性一般可分為熱危險(xiǎn)性和非熱危險(xiǎn)性。所謂熱危險(xiǎn)性是指材料發(fā)生燃燒反應(yīng)放出的熱對(duì)人和財(cái)產(chǎn)所具有的潛在危害作用，可從材料的引燃危險(xiǎn)性、放熱危險(xiǎn)性和火焰?zhèn)鞑ノｋU(xiǎn)性三個(gè)方面綜合表征;非熱危險(xiǎn)性是指材料發(fā)生燃燒反應(yīng)生成的煙氣對(duì)人、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境所具有的潛在的腐蝕、刺激和毒害作用。

熱危險(xiǎn)性和非熱危險(xiǎn)性是聚合物材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的兩個(gè)密不可分的組成部分。材料的引燃、燃燒放熱和火焰?zhèn)鞑ナ遣牧习l(fā)生持續(xù)燃燒的基礎(chǔ)，熱危險(xiǎn)性是非熱危險(xiǎn)性的前提，非熱危害伴隨熱危害的發(fā)生而發(fā)生，一般來(lái)說(shuō)，材料的非熱危險(xiǎn)性隨熱危險(xiǎn)性的增大而增大［1-3］。因此，深入研究聚合物材料的熱危險(xiǎn)性，不僅能夠更好地認(rèn)識(shí)和預(yù)防材料的熱危害，也能促進(jìn)對(duì)其非熱危險(xiǎn)性的預(yù)防與控制。

1 引燃危險(xiǎn)性

引燃性是指材料在熱能的作用下，其表面揮發(fā)出的可燃?xì)怏w被引燃的能力。材料的起火過(guò)程受幾何條件(材料的位置及擺放)，空氣流動(dòng)，火源位置、強(qiáng)度及持續(xù)作用時(shí)間，環(huán)境溫度等條件的影響。雖然不同可燃物的燃燒特性及火災(zāi)危險(xiǎn)性不同，但對(duì)于絕大多數(shù)固體可燃物而言，可以用引燃特性評(píng)定其引燃危險(xiǎn)性。引燃特性可以用熔點(diǎn)、燃點(diǎn)表示，也可以根據(jù)錐形量熱計(jì)測(cè)定的引燃時(shí)間或者引燃材料所需的最小熱輻射通量來(lái)衡量。

目前，在火災(zāi)科學(xué)研究中，使用規(guī)定條件下的引燃時(shí)間表征引燃危險(xiǎn)性最為常見(jiàn)。引燃時(shí)間越長(zhǎng)，表明在此條件下材料越不容易被引燃，引燃危險(xiǎn)性越小。錐形量熱計(jì)測(cè)得的引燃時(shí)間(tig)是指從材料開(kāi)始受熱起到材料表面出現(xiàn)火焰并且4 s不熄時(shí)止所經(jīng)歷的時(shí)間。表1為幾種常見(jiàn)聚合物材料在不同熱輻射通量下的引燃時(shí)間及其表面溫度［4］。

表1 幾種聚合物不同熱輻射通量下的引燃時(shí)間及其表面溫度

材料引燃的最小熱輻射通量可以用臨界熱輻射通量(Critical Heat Flux，CHF)表示。CHF是使材料產(chǎn)生可燃混合氣體的最小熱輻射通量，也是維持引燃的最小熱輻射通量。熱響應(yīng)參數(shù)(Thermal Response Parameter，TRP)是指材料抵抗產(chǎn)生可燃混合氣體的能力。CHF和TRP值越大，材料加熱、引燃和著火所需的時(shí)間越長(zhǎng)，其火焰的傳播蔓延速率越低，材料的引燃危險(xiǎn)性和熱危險(xiǎn)性越低［4-6］。

CHF是根據(jù)錐形量熱計(jì)及同類試驗(yàn)結(jié)果提出的參數(shù)。一般而言，只有在大于CHF的熱輻射條件下材料才能被引燃。CHF的確定方法是，將材料水平暴露在不同熱輻射條件下試驗(yàn)，直到試樣在15 min內(nèi)沒(méi)有被引燃，則該熱輻射通量即為試樣的CHF。

TRP反映材料抵抗被引燃及火焰?zhèn)鞑サ哪芰?，其大小?

式中，△Tig為材料引燃溫度與環(huán)境溫度的差值，k、ρ、cp分別為材料的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、熱容。

TRP與材料的物理、化學(xué)性質(zhì)均有關(guān)，如材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、阻燃處理及厚度等。材料厚度增加或采取了被動(dòng)防火措施都會(huì)增大其TRP值。對(duì)熱厚型材料而言，引燃時(shí)間倒數(shù)的平方根與外加熱輻射通量具有線性關(guān)系，即

以公式(2)為依據(jù)，測(cè)定不同熱輻射通量下材料的引燃時(shí)間，再通過(guò)作圖、外推，即可得到材料的TRP(直線斜率的倒數(shù))和CHF(截距)。圖1給出了幾種聚合物引燃時(shí)間倒數(shù)的平方根與外加熱輻射通量之間的關(guān)系。

圖1 幾種聚合物引燃時(shí)間倒數(shù)的平方根與外加熱輻射通量之間的關(guān)系

2 放熱危險(xiǎn)性

熱釋放速率是可燃物燃燒時(shí)單位時(shí)間內(nèi)釋放出的熱量。火災(zāi)中材料燃燒產(chǎn)生的熱能引起人員的燒傷、熱窒息和脫水等危害后果，也是引起建筑物及其內(nèi)部物品損毀的主要原因。火災(zāi)中材料的熱釋放速率越大，持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，造成的危害后果越嚴(yán)重。通常以材料的熱釋放速率峰值(pkHRR)表示材料放熱危險(xiǎn)性的大小。大部分可燃物燃燒時(shí)，熱釋放速率隨時(shí)間變化。

文獻(xiàn)［7］用參數(shù)x和y研究材料對(duì)轟燃的影響，并據(jù)此對(duì)材料潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)。x定義為材料燃燒發(fā)生轟燃的潛力指數(shù)，其值是材料熱釋放速率峰值與引燃時(shí)間的比值(kW·m-2·s-1):

材料具有較高的熱釋放速率峰值和較短的引燃時(shí)間，是其發(fā)生轟燃的必要條件，因此，材料的轟燃潛力指數(shù)越大，發(fā)生轟燃的可能性也就越大，具有的火災(zāi)危險(xiǎn)性也就越大。按x值的大小可將材料火災(zāi)危險(xiǎn)劃分為三個(gè)等級(jí):(1)低危險(xiǎn)，0．1～1．0;(2)中等危險(xiǎn)，1．0 ～10;(3)高危險(xiǎn)，10 ～100。

需要說(shuō)明的是，并不是所有的火災(zāi)都會(huì)出現(xiàn)轟燃現(xiàn)象，也就是說(shuō)，轟燃的出現(xiàn)除了要滿足上述的必要條件外，還受其他因素的制約，如可燃物的數(shù)量(火災(zāi)載荷)、瞬間積累的總熱量和通風(fēng)狀態(tài)等。因此，將參數(shù)y定義為材料的總熱釋放量(Total Heat Release，THR)，用于對(duì)材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行補(bǔ)充評(píng)價(jià)?？偀後尫帕渴遣牧先紵龝r(shí)釋放的總的熱量，是熱釋放速率對(duì)時(shí)間的積分(MJ·m-2)，定義式為:

式中，HRR為材料的熱釋放速率，隨時(shí)間變化;t為材料持續(xù)燃燒放熱的時(shí)間。

按y值的大小將材料潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)劃分為四個(gè)等級(jí):(1)很低危險(xiǎn)，0．1 ～1．0;(2)低危險(xiǎn)，1．0 ～10;(3)中等危險(xiǎn)，10～100;(4)高危險(xiǎn)，100～1 000。

轟燃潛力指數(shù)可以較好地反映火災(zāi)的嚴(yán)重程度，但它僅表征了可能達(dá)到的最大熱釋放速率，不能反映火災(zāi)過(guò)程中總的熱釋放量，而總熱釋放量又不能反映材料單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量是多少，因此，綜合考慮材料的轟燃潛力指數(shù)和總熱釋放量，可以較全面地反映材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性。以錐形量熱計(jì)測(cè)得材料的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以參數(shù)x為橫坐標(biāo)，參數(shù)y為縱坐標(biāo)，作散點(diǎn)圖，可以對(duì)比不同材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性大小，圖2是文獻(xiàn)報(bào)道的ABS、PS、FPU、RPU和電線電纜五類材料130個(gè)試樣的散點(diǎn)圖。

圖2 不同材料轟燃潛力指數(shù)與總熱釋放量

在圖2中位于坐標(biāo)系右上區(qū)域的材料具有較高的轟燃潛力指數(shù)和總熱釋放量，火災(zāi)危險(xiǎn)性較大;而在左下區(qū)域材料的轟燃潛力指數(shù)和總熱釋放量都較小，火災(zāi)危險(xiǎn)性相對(duì)較小。

需要指出的是，材料的轟燃潛力指數(shù)依火災(zāi)時(shí)熱通量、通風(fēng)情況及材料損壞程度的不同而有很大區(qū)別，而總熱釋放量反映了材料所含有的總的化學(xué)能，與燃燒時(shí)的條件關(guān)系不大。

3 火焰?zhèn)鞑ノｋU(xiǎn)性

當(dāng)材料暴露在熱流中時(shí)，受熱分解產(chǎn)生可燃?xì)怏w與空氣混合，形成可燃混合氣體并被引燃，在引燃區(qū)表面產(chǎn)生火焰，火焰產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等方式向引燃區(qū)外釋放傳播，如果釋放的熱量達(dá)到了材料的臨界輻射熱通量，引燃區(qū)外發(fā)生熱解，火焰前沿也向引燃區(qū)外移動(dòng)，并在引燃區(qū)外產(chǎn)生火焰，隨著燃燒面積的不斷擴(kuò)大，火焰高度、熱釋放速率和對(duì)外熱輻射均會(huì)增加，熱分解前鋒線和火焰前沿均會(huì)移動(dòng)。依此重復(fù)，只要熱分解前鋒線之前的預(yù)熱表面獲得的熱輻射滿足材料的臨界熱輻射通量值，火焰就會(huì)在材料表面不斷向前蔓延。

火焰?zhèn)鞑ニ俾室圆牧蠠峤馇颁h的移動(dòng)速率表示，傳播速率與傳播方向、反應(yīng)時(shí)氧的含量等因素有關(guān)［8-10］。圖3～圖5是按照ASTM E2058標(biāo)準(zhǔn)，使用火焰?zhèn)鞑x(FPA)測(cè)得的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在不同方向和不同氧含量下，其熱分解前鋒線位置(xp)隨時(shí)間的變化圖。圖中每個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的比值即為試驗(yàn)條件下火焰?zhèn)鞑ニ俾省膱D3可以看出，材料向下熱分解前鋒線的位置與時(shí)間呈線性關(guān)系，也就是說(shuō)火焰?zhèn)鞑サ乃俣冉茷槌?shù)。從圖4可以看到，向上熱解前鋒線位置隨時(shí)間呈曲線上升，說(shuō)明火焰?zhèn)鞑ニ俣仁羌铀侔l(fā)展的。圖5給出了空氣中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0．233、0．279和0．446時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，顯然，當(dāng)燃燒時(shí)氧含量增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之增大。

圖3 PMMA燃燒火焰向下傳播時(shí)熱解前鋒位置與時(shí)間的關(guān)系圖

圖4 PMMA燃燒火焰向上傳播時(shí)熱解前鋒位置與時(shí)間的關(guān)系圖

圖5 不同氧濃度下PMMA燃燒火焰熱解前鋒位置(向上)與時(shí)間的關(guān)系圖

以FPA試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)于熱厚型材料，在熱輻射強(qiáng)度較大的情況下，可以發(fā)現(xiàn)向上火焰?zhèn)鞑ニ俣?v)與材料單位寬度上的熱釋放速率之間存在如下關(guān)系:

式中，χrad為以輻射形式釋放的熱量，kJ;χch為燃燒時(shí)總的熱量，kJ;˙Q'ch為材料單位寬度上的熱釋放速率，kW·m-1。

將式(5)右邊乘以1 000，熱輻射分?jǐn)?shù)取0．42(對(duì)應(yīng)有明亮的火焰燃燒)，可得火焰?zhèn)鞑ブ笖?shù)(FPI)為:

火焰?zhèn)鞑ブ笖?shù)可用來(lái)描述材料在高熱輻射強(qiáng)度下(通常以提高試驗(yàn)時(shí)空氣中O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)達(dá)到此條件)的火焰?zhèn)鞑バ袨?，并可依?jù)其數(shù)值大小(即火焰?zhèn)鞑ノｋU(xiǎn)性的大小)將材料分為如下四類:(1)Ⅰ類材料，F(xiàn)PI≤7(無(wú)火焰?zhèn)鞑?，在引燃區(qū)外無(wú)火焰?zhèn)鞑サ牟牧?，火焰處于臨界熄滅狀態(tài)。(2)Ⅱ類材料，7＜FPI≤10(減速火焰?zhèn)鞑?，在引燃區(qū)外有減速的火焰?zhèn)鞑サ牟牧?，火焰在引燃區(qū)外的傳播是有限的。(3)Ⅲ類材料，10＜FPI≤20(非加速的火焰?zhèn)鞑?，火焰緩慢向非引燃區(qū)傳播的材料。(4)Ⅳ類材料，F(xiàn)PI＞20(加速的火焰?zhèn)鞑?，火焰快速向非引燃區(qū)傳播的材料。

4 結(jié)論

聚合物材料具有較大熱危險(xiǎn)性的根源在于其組成中有機(jī)樹(shù)脂的可燃性及其較大的燃燒熱。從上面對(duì)引燃危險(xiǎn)性、放熱危險(xiǎn)性和火焰?zhèn)鞑ノｋU(xiǎn)性的分析表征來(lái)看，對(duì)于聚合物材料的熱危險(xiǎn)性可從技術(shù)和管理兩個(gè)方面來(lái)預(yù)防控制。從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，可從材料本身的組成及結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用阻燃技術(shù)，提高有機(jī)樹(shù)脂的引燃溫度，延長(zhǎng)引燃時(shí)間，降低燃燒反應(yīng)的放熱量，實(shí)現(xiàn)材料的本質(zhì)安全。從管理角度來(lái)看，就是要制定科學(xué)合理的試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)，正確評(píng)價(jià)材料火災(zāi)時(shí)的熱危險(xiǎn)性，并按標(biāo)準(zhǔn)要求在不同場(chǎng)所選擇使用符合要求的材料，這樣，也能減小材料潛在的火災(zāi)危害。

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