李 青

(武警學(xué)院 研究生隊(duì)，河北 廊坊 065000)

聚氨酯保溫板引燃特性試驗(yàn)研究

李 青

(武警學(xué)院 研究生隊(duì)，河北 廊坊 065000)

為得出火場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境因素對(duì)聚氨酯保溫板引燃特性的影響規(guī)律，給防火工作和火災(zāi)調(diào)查提供依據(jù)，選取市場(chǎng)上常用的B1級(jí)聚氨酯保溫板為研究對(duì)象，運(yùn)用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分別選用最常見(jiàn)的兩種引火源(酒精噴燈、電焊渣)對(duì)其進(jìn)行引燃特性試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，一定條件下，酒精噴燈和電焊渣都能引燃聚氨酯保溫板；酒精噴燈加熱聚氨酯保溫板相同時(shí)間，隨著距火源距離的增大，引燃能力減弱；隨著電焊持續(xù)作用時(shí)間的增長(zhǎng)，電焊渣引燃聚氨酯保溫板的能力增強(qiáng)；隨著酒精噴燈加熱時(shí)間的增長(zhǎng)，試樣表面溫度先迅速升高，達(dá)到材料最快熱釋放速率時(shí)，溫度升至最高值，之后緩慢下降，并逐漸趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

聚氨酯保溫板；引燃試驗(yàn)；酒精噴燈；電焊渣

0 引言

近幾年來(lái)，聚氨酯保溫板因具有絕緣性良好、理化性能優(yōu)良、比強(qiáng)度高和低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各場(chǎng)所的保溫隔熱系統(tǒng)中。其應(yīng)用幾乎滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)，已逐漸成為各行業(yè)中不可或缺的重要有機(jī)材料之一。但是，聚氨酯泡沫屬于有機(jī)高分子材料，易燃。硬質(zhì)聚氨酯泡沫的閃點(diǎn)約為310 ℃，自燃溫度為412 ℃[1]。未經(jīng)阻燃處理的聚氨酯制品，氧指數(shù)僅為20左右，經(jīng)阻燃處理的一般也在30以下[2]。聚氨酯保溫板內(nèi)為多孔性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱性差，且熱穩(wěn)定性差，極易造成熱量積聚而引發(fā)火災(zāi)。近年來(lái)由聚氨酯泡沫材料引起的建筑火災(zāi)頻繁發(fā)生，造成了嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，如河南洛陽(yáng)東都商廈火災(zāi)、深圳龍崗舞王俱樂(lè)部火災(zāi)[3]、上海靜安區(qū)膠州路公寓火災(zāi)等[4]。目前雖有大量關(guān)于高聚物燃燒特性的研究[5-6]，但由于聚氨酯保溫板在實(shí)際使用過(guò)程中的環(huán)境因素非常復(fù)雜，有關(guān)其在火源種類(lèi)、加熱時(shí)間、火源位置等多種因素作用下的引燃特性的研究相對(duì)較少。本文在國(guó)內(nèi)外研究[7]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究聚氨酯保溫板在不同條件下的引燃特性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備及材料

試驗(yàn)儀器為：火災(zāi)痕跡物證試驗(yàn)臺(tái)(交流輸出電壓0～55 V)，非接觸式紅外測(cè)溫儀，酒精噴燈。

試驗(yàn)材料為：B1級(jí)聚氨酯保溫板；石棉網(wǎng)；焊條若干；角鋼。

1.2 酒精噴燈引燃聚氨酯保溫板試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將聚氨酯保溫板鋸成10 cm×10 cm×7 cm大小的試驗(yàn)塊材。用酒精噴燈加熱試樣，控制下表面與火焰頂點(diǎn)的距離分別為0 cm、5 cm、10 cm，計(jì)時(shí)并觀察記錄引燃過(guò)程中的試驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)記錄試樣表面溫度。分析總結(jié)火源距離和引燃時(shí)間對(duì)聚氨酯保溫板引燃特性的影響規(guī)律。為減少試驗(yàn)誤差，避免偶然性因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每組進(jìn)行5次重復(fù)性試驗(yàn)。

1.3 電焊渣引燃聚氨酯保溫板試驗(yàn)設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)電壓為50 V，將聚氨酯保溫板試樣置于三角鋼一側(cè)，為減少三角鋼的高溫對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，控制試樣中心和三角鋼間距為1.0 cm。為保證電焊渣盡可能多地落在試樣上，在試樣外圍增設(shè)維護(hù)體，并在試樣下方鋪墊石棉網(wǎng)以減少試樣底部的熱損失?？刂瞥掷m(xù)電焊時(shí)間分別為5 s、10 s、20 s、40 s，每組進(jìn)行5次重復(fù)性試驗(yàn)，觀察記錄試驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)該試驗(yàn)分析總結(jié)電焊持續(xù)時(shí)間對(duì)聚氨酯保溫板引燃特性的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 酒精噴燈引燃聚氨酯保溫板的試驗(yàn)研究

2.1.1 加熱不同時(shí)間對(duì)引燃結(jié)果的影響

酒精噴燈加熱聚氨酯保溫板，火焰距離試樣0 cm，其他參數(shù)相同的條件下，分別控制加熱時(shí)間為20 s、40 s、60 s、80 s、100 s、120 s，并記錄試樣表面的溫度，如表1所示，試樣表面溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖1所示。觀察到的引燃現(xiàn)象如表2所示。

注：表中的溫度均為5次試驗(yàn)的平均溫度。

由圖1可知，在該時(shí)間段內(nèi)，隨著加熱時(shí)間的增長(zhǎng)，試樣表面的溫度先迅速升高，達(dá)到最高溫度(約850 ℃)時(shí)，溫度逐漸下降，之后基本維持穩(wěn)定。由表2可見(jiàn)，酒精噴燈引燃聚氨酯保溫板時(shí)，5次重復(fù)試驗(yàn)均成功引燃，且有4次出現(xiàn)了持續(xù)5 s以上的火焰，火焰由中心向周?chē)?，飾面層?nèi)部保溫材料熔化溢出。

圖1 試樣表面溫度隨加熱時(shí)間的變化趨勢(shì)

變色時(shí)間冒煙時(shí)間變形時(shí)間炭化時(shí)間著火時(shí)間引燃結(jié)果1．3s2．4s5．2s6．7s10．5s5次重復(fù)試驗(yàn)均引燃

注：表內(nèi)時(shí)間均為5次試驗(yàn)的平均時(shí)間。

2.1.2 距火源不同距離對(duì)引燃結(jié)果的影響

用酒精噴燈加熱聚氨酯保溫板的正面，分別控制試樣下表面與火焰頂點(diǎn)的距離為0 cm、5 cm、10 cm，加熱試樣1 min，具體引燃結(jié)果如表3所示。每隔10 s記錄一次試樣表面溫度，如表4所示?；鹪丛诓煌嚯x下加熱時(shí)，試樣表面溫度變化趨勢(shì)對(duì)比情況如圖2所示。

表3 距火源不同距離時(shí)加熱1 min的引燃結(jié)果

注：1)表內(nèi)時(shí)間均為5次試驗(yàn)的平均時(shí)間；2)“—”表示未觀察到該現(xiàn)象。

表4 距火源不同距離加熱時(shí)試樣表面溫度變化

注：表中的溫度均為5次試驗(yàn)的平均溫度。

圖2 距火源不同距離時(shí)試樣表面溫度變化趨勢(shì)對(duì)比圖

試驗(yàn)表明，當(dāng)聚氨酯保溫板與酒精噴燈火焰頂點(diǎn)距離為0 cm時(shí)，5次重復(fù)性試驗(yàn)中，5次均成功引燃；當(dāng)距離增大到5 cm和10 cm時(shí)，試樣均未被引燃。且隨著火焰距離的增大，試樣熱分解反應(yīng)速度減慢，反應(yīng)劇烈程度也減輕。由圖2可知，在該時(shí)間段內(nèi)，火源距離為0 cm時(shí)，試樣表面溫度上升迅速，最高可超過(guò)800 ℃；火源距離大于5 cm時(shí)，試樣表面溫度相對(duì)較低，上升較緩慢，未達(dá)到燃點(diǎn)溫度。

2.2 電焊渣引燃聚氨酯保溫板試驗(yàn)研究

以電焊渣為例，用電焊渣引燃聚氨酯保溫板，控制電焊持續(xù)作用時(shí)間分別為5 s、10 s、20 s、40 s，引燃現(xiàn)象如圖3，引燃結(jié)果如表5所示。

(a)持續(xù)電焊5 s

(b)持續(xù)電焊10 s

(c)持續(xù)電焊20 s

(d)持續(xù)電焊40 s

隨著電焊持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，聚氨酯保溫板被成功引燃的次數(shù)增多，火焰更大，蔓延更迅速，火焰持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。通過(guò)排除誤差結(jié)果，可得出電焊持續(xù)作用時(shí)間小于5 s時(shí)，不能引燃該聚氨酯保溫板；大于10 s時(shí)能夠成功引燃，且火焰持續(xù)時(shí)間都較長(zhǎng)，超過(guò)了10 s。

表5 電焊持續(xù)作用不同時(shí)間時(shí)的引燃結(jié)果

注：表內(nèi)時(shí)間均為5次試驗(yàn)的平均時(shí)間。

2.3 分析討論

2.3.1 火源種類(lèi)對(duì)引燃能力的影響

由于不同火源的溫度場(chǎng)和熱量分布情況不同，加熱同種可燃物的引燃結(jié)果也會(huì)各異。試驗(yàn)測(cè)得酒精噴燈的火焰溫度約為1 000 ℃，且噴燈火焰的熱量比較集中，用酒精噴燈加熱聚氨酯保溫板時(shí)，體系放熱量大于散熱量，保溫板表面熱量大量積累，溫度迅速升高，發(fā)生熱分解并燃燒產(chǎn)生火焰。中心火焰加熱區(qū)溫度最高，最先引燃，火焰呈現(xiàn)由中心向周?chē)拥囊?guī)律特征。

電焊渣引燃聚氨酯保溫板時(shí)，電焊熔珠溫度高達(dá)1 200 ℃左右，試樣表面被濺上的熔珠加熱，溫度也會(huì)很快升高到達(dá)燃點(diǎn)，產(chǎn)生火焰，但是由于焊渣熔珠四處飛濺，會(huì)導(dǎo)致試樣表面多處受熱升溫，多處出現(xiàn)火焰。

2.3.2 火源距離對(duì)引燃能力的影響

同種火源加熱同尺寸的聚氨酯保溫板時(shí)，隨著火源距離的增大，火源向環(huán)境中散失的熱量增多，根據(jù)能量守恒定律，到達(dá)試樣表面的熱量會(huì)減少，不利于熱量積累，試樣表面升溫速度會(huì)減慢，到達(dá)燃點(diǎn)的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。當(dāng)火源距離增大到一定值，大部分熱量都會(huì)散失到空氣中，試樣表面接受的少量熱量已經(jīng)無(wú)法使之達(dá)到燃點(diǎn)溫度，也就無(wú)法引燃。

2.3.3 加熱時(shí)間對(duì)引燃能力的影響

加熱時(shí)間越長(zhǎng)，試樣表面熱量積累越多，溫度越高，聚氨酯保溫板更容易達(dá)到燃點(diǎn)而被引燃，且火勢(shì)更大，火焰持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。當(dāng)加熱時(shí)間足夠小，試樣表面溫度不能達(dá)到材料的燃點(diǎn)，只會(huì)出現(xiàn)冒煙、變色、變形等現(xiàn)象，無(wú)明火出現(xiàn)。

3 結(jié)論

通過(guò)研究聚氨酯保溫板的引燃特性，得出以下結(jié)論：(1)一定條件下，酒精噴燈和電焊渣都能夠引燃該B1級(jí)聚氨酯保溫板。(2)酒精噴燈加熱聚氨酯保溫板相同時(shí)間，隨著距火源距離的增大，引燃能力減弱。在該試驗(yàn)條件下，火源距離為0 cm時(shí)，能成功引燃試樣，10 s左右會(huì)出現(xiàn)明火；距離大于5 cm時(shí)，不能引燃試樣。(3)電焊渣引燃聚氨酯保溫板，隨著電焊持續(xù)作用時(shí)間的增長(zhǎng)，引燃能力增強(qiáng)。持續(xù)電焊時(shí)間小于5 s時(shí)，不能成功引燃試樣；持續(xù)電焊時(shí)間大于10 s時(shí)，能成功引燃，且能維持10 s以上持續(xù)燃燒火焰。(4)酒精噴燈引燃聚氨酯保溫板，在測(cè)量的時(shí)間段內(nèi)，隨著加熱時(shí)間的增長(zhǎng)，試樣表面溫度的大致趨勢(shì)為：先迅速升高，達(dá)到材料最快熱釋放速率時(shí)，溫度升至最高值約850 ℃，之后緩慢下降，并逐漸趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

[1] 徐培林,張淑琴.聚氨酯材料手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[2] 龔娜.軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料燃燒性能及火災(zāi)危險(xiǎn)性分析[D].成都：西南交通大學(xué),2011.

[3] 公安部消防局.火災(zāi)統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京:中國(guó)人事出版社,2006.

[4] 李曉蕾,王鵬.從典型火災(zāi)案例看建筑保溫材料的防火安全問(wèn)題[J].建材發(fā)展導(dǎo)向,2009,(4):53-56.

[5] 林楠,李松,舒中俊.室內(nèi)常見(jiàn)裝飾用織物熱輻射引燃特性[J].消防科學(xué)與技術(shù),2011，30(1)：19-22.

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[7] CHECCHIN M, CECCHINI C, CELLAROSI B,etal. Use of Cone Calorimeter for Evaluating Fire Performances of Polyurethane Foams [J]. Polymer Degradation and Stability,1999,64(3):573-576.

(責(zé)任編輯 馬 龍)

On the Ignition Experiment of Polyurethane Insulation Board

LI Qing

(TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

In order to get the law of the complex environmental factors influcing ignition characteristics of the polyurethane insulation board, and provide certain criteria for fire-protection and fire investigation, the commonly used polyurethane insulation board in market is chosen as the research object in the light of the problem of its flammability. In the study, alcohol burner and welding slag are selected to study its ignition characteristics. On the base of mastering the physical and chemical properties of the polyurethane insulation board, the ignition characteristics of polyurethane insulation board are studied through small-scale experiments in a multi-parameter coupling. All this can provide certain reference value for the fire-protection and fire investigation work.

polyurethane insulation board; ignition experiment; alcohol burner; welding slag

2014-12-05

李青(1992— )，女，湖南衡陽(yáng)人，在讀工程碩士研究生。

D631.6

A

1008-2077(2015)04-0024-04