火災(zāi)統(tǒng)計研究表明，火災(zāi)事故中70%～75%的人員傷亡是由火災(zāi)中產(chǎn)生的煙氣熏死的，而不是燒死的。材料的煙氣毒性分析引起了廣泛的關(guān)注，然而，材料的燃燒過程因燃燒條件的不同而產(chǎn)生一定的差異，發(fā)生火災(zāi)時材料燃燒產(chǎn)生的煙氣成分也會有所不同。因此，研究材料燃燒煙氣毒性關(guān)鍵是要在現(xiàn)有的實驗室條件下盡可能模擬真實火災(zāi)中材料的燃燒行為，然后用先進的手段對煙氣成分進行科學(xué)的分析和評價。

傅里葉變換紅外光譜法（FT-IR）等高新技術(shù)可對煙氣中復(fù)雜的多氣體組分進行在線連續(xù)分析，使研究火災(zāi)發(fā)生后材料燃燒產(chǎn)生的煙氣分析成為可能。利用活體動物測試，通過觀察試驗小白鼠的試驗狀態(tài)，來確定煙氣毒性的危害性有一定的局限性，無法對試驗所產(chǎn)生的煙氣進行定量的分析。但由于受到動物環(huán)保組織的抵制，歐盟國家比較重視利用FT-IR研究火災(zāi)煙氣毒性的工作，取得了許多有價值的研究成果，并為CEN和ISO、IEC、IMO制定煙氣成分分析標(biāo)準(zhǔn)制定提供了前期研究[1，2]。在我國，由于火災(zāi)環(huán)境和各種干擾因素的影響，對火災(zāi)煙氣毒性的準(zhǔn)確定量分析研究還處于起步階段。因此，積極開展FT-IR在火災(zāi)煙氣分析中的應(yīng)用研究，推動FT-IR技術(shù)在我國材料燃燒性能與火災(zāi)煙氣毒性分析的定量化和標(biāo)準(zhǔn)化，對于研發(fā)燃燒產(chǎn)生毒性較小的新材料和減少火災(zāi)后產(chǎn)生的人員傷害都具有及其重要的意義。

一、FT-IR簡介

近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的，不同基團或同一基團在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長與強度都有明顯差別，IR光譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，幾乎每種化合物均有紅外吸收，近紅外光譜既可以用做定性分析，也可以用作定量分析，其定量分析的依據(jù)與其他吸收光譜類似，也是采用比耳定律。首先采用標(biāo)準(zhǔn)方法對標(biāo)準(zhǔn)樣品進行建立、優(yōu)化和檢驗?zāi)Ｐ?，然后對未知樣品進行光譜分析，調(diào)用模型來預(yù)測結(jié)果。但對于一些復(fù)雜的樣品進行紅外光譜定量分析時，考慮到近紅外譜圖重疊以及譜圖測定的不穩(wěn)定問題，需要充分應(yīng)用全光譜的信息。

由于沒有狹縫的限制，F(xiàn)T-IR光通量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于色散型紅外光譜儀，進而增大了檢測器接收到的信號與噪音比，靈敏度得到大幅提高。同時，F(xiàn)T-IR光譜儀的測試分辨率、波數(shù)精度、掃描速度等一系列性能都得到大幅提高，尤其適用于聯(lián)用技術(shù)，因而在物質(zhì)的定性和定量測試領(lǐng)域得到迅速發(fā)展及應(yīng)用。

FT-IR被廣泛使用于火災(zāi)煙氣成分分析中，是由于其具有測量范圍寬、靈敏度高、準(zhǔn)確性高、響應(yīng)速度快、選擇性好，抗干擾能力強等諸多優(yōu)點。測量范圍寬：可分析氣體上限達(dá)100%，下限達(dá)到幾個ppm的濃度，進行精細(xì)化處理后可以進行痕量分析，精度達(dá)到ppb級別；靈敏度高：具有很高的檢測靈敏度，氣體有微小的變化都能分辨出來；測量精度高：與其他測試手段相比，它的精確度高且穩(wěn)定性好，反應(yīng)速度快，響應(yīng)時間一般在10s以內(nèi)；分析效率高：FT-IR能同時在線檢測的氣體種類多達(dá)5 500多種，擴充所能檢測的氣體成分的方法也不復(fù)雜，而ISO19701所涉及的檢測火災(zāi)煙氣分析的方法一般只能檢測一種或一類火災(zāi)煙氣；非破壞性：FT-IR能在樣品組成不破壞的情況下同時分析多種組分，無需繁雜的預(yù)處理，測試重現(xiàn)性好，成本低；在線連續(xù)性：與其他的經(jīng)典方法大多只能采取間歇取樣分析所不同的是，F(xiàn)T-IR可對火災(zāi)煙氣的成分進行實時在線監(jiān)測。

二、FT-IR在火災(zāi)煙氣分析中面臨的機遇和挑戰(zhàn)

FT-IR也存在不能分析對稱結(jié)構(gòu)無極性雙原子〔如氮氣（N2）、氧氣（O2）、氫氣（H2）〕及單原子分子氣體〔氦氣（He）、氖氣（Ne）、氬氣（Ar）〕，或者需要和其他檢測設(shè)備聯(lián)用的缺陷。

隨著計算機、化學(xué)計量學(xué)以及多元信息處理的理論和技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)T-IR已可解決紅外光譜吸收弱和光譜重疊的問題，并且可以對某一化學(xué)成分的含量和其在近紅外區(qū)光譜的吸收特性進行建模，從而實現(xiàn)紅外光譜法的化學(xué)定量分析。FT-IR在進行煙氣圖譜中多種氣體組分體積分?jǐn)?shù)的定量測定方面是一種強有力的手段[3]。

ISO 19702要求被檢測火災(zāi)煙氣溫度為150～190℃，考慮到減少氯化氫（HCl）在水蒸汽中的損失以及成酸后會腐蝕探測器，推薦檢測火災(zāi)煙氣溫度為180℃。材料發(fā)生火災(zāi)燃燒后會有一定的水蒸汽產(chǎn)生，煙氣中的水分存在而引起的強烈紅外吸收而對氣體分析的準(zhǔn)確性有較大的影響，主要表現(xiàn)在水蒸汽的交叉干擾（cross-sensitivity）及容積誤差。

近年來，國外FT-IR在線分析技術(shù)取得了長足的進展。美國Foxboro公司生產(chǎn)的MIRAN Sapph IRe便攜式紅外氣體分析儀能在突發(fā)事故現(xiàn)場進行快速氣體定性和半定量分析。協(xié)助火災(zāi)、爆炸等突發(fā)事故的現(xiàn)場快速處理氣體中毒突發(fā)事件，監(jiān)測已知及未知危險化合物泄露及有毒有害氣體，精確地現(xiàn)場檢測如二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲醛和其他有機揮發(fā)物質(zhì)，可現(xiàn)場快速判斷已知或未知156種。美國SMITHS公司生產(chǎn)的GasID便攜式（傅立葉紅外）氣體分析儀采用FT-IR分析技術(shù)，可在極端潮濕（0～100%RH）的環(huán)境條件下操作，快速鑒定環(huán)境中的揮發(fā)性有機氣體、易燃?xì)怏w、有毒工業(yè)化學(xué)品及氣體、腐蝕性氣體、殺蟲劑、化學(xué)戰(zhàn)劑等5 500種氣體。

三、FT-IR在煙氣分析中的標(biāo)準(zhǔn)化方法研究

早在1993年芬蘭的VTT建筑研究院率先對FT-IR火災(zāi)煙氣濃度測試連續(xù)分析方法進行了研究。從1997年開始，芬蘭和英國等6個國家10個科研機構(gòu)聯(lián)合提出了用FT-IR分析火災(zāi)煙氣的研究計劃Smoke Gas Analysis by Fourier Transform Infrared Spectroscopy（SAFIR），目的在于建立一種可靠的FT-IR氣體成分分析系統(tǒng)來測試火災(zāi)試驗中燃燒煙氣中的有毒成分。國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ISO）開始制定火災(zāi)煙氣成分分析的FI-TR方法標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS 21489《火災(zāi)試驗——累積煙氣測試中使用傅里葉紅外變換光譜測試煙氣成分的方法》。ISO 19701中涉及到火災(zāi)煙氣成分分析方法有順磁法、不分光紅外光譜法、高效液相色譜法、分光光度法、離子選擇性電極法、高效離子色譜法、原子吸收法、等離子體發(fā)射光譜法（ICP）共8種。這些經(jīng)典的火災(zāi)煙氣成分分析方法或多或少地存在一定的局限性[1]。

ISO 19702-2015《用傅立葉變換紅外（FT-IR）光譜對燃燒產(chǎn)物中有毒氣體和蒸汽的取樣和分析指南》（代替了ISO 19702-2006《燃燒廢物的毒性試驗——FT-IR氣體分析法分析燃燒廢物中氣體及蒸汽的指南》）推薦了FT-IR煙氣成分分析的采樣系統(tǒng)、過濾器、檢測器溫度壓力、泵、氣體定量分析系統(tǒng)、校正方法等的參數(shù)及試驗報告的寫法，為FT-IR在火災(zāi)氣體成分分析中的應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。目前ISO 19702-2006《燃燒廢物的毒性試驗——FT-IR氣體分析法分析燃燒廢物中氣體及蒸汽的指南》已被IEC60695-7-1-2010《著火危險試驗——第7-1部分：燃燒廢氣的毒性——總則》、DIN5510-2-2009《鐵路車輛防火保護第2部分：材料和部件防火特性及防火副作用分類、要求及試驗方法》和GB/T 5169.18-2013《電工電子產(chǎn)品著火危險試驗第18部分：燃燒流的毒性總則》、GB/T 5169.38-2014《電工電子產(chǎn)品著火危險試驗第38部分：燃燒流的毒性試驗方法概要和相關(guān)性》以及ISO 16405-2015《房間角落和開放熱量計——采用紅外光譜技術(shù)采樣與測量產(chǎn)生和排出氣體的指南》所引用，F(xiàn)T-IR在線煙氣毒性分析技術(shù)在我國火災(zāi)煙氣毒性分析以及材料煙氣毒性標(biāo)準(zhǔn)制定中起到越來越重要的作用。

1.傅里葉紅外變換光譜法與其他設(shè)備聯(lián)機理的應(yīng)用情況

材料燃燒產(chǎn)物的種類和產(chǎn)量因燃燒條件和過程差異而會有所不同，因此在實驗室條件下模擬真實火災(zāi)中材料的燃燒行為至關(guān)重要。IEC 60695-7-50《第7-50部分：燃燒釋放物的毒性——設(shè)備及試驗方法》可以模擬電纜、電線和其他電氣和電子行業(yè)使用的材料燃燒3種階段并確定毒性產(chǎn)物產(chǎn)量。試驗所需樣品以1g/ min的速度進入管式爐，在腔內(nèi)通入二次空氣獲得氣流速率為50L/min的總煙氣流，通過采樣口進入FTIR，獲得煙氣中CO2、CO、O2、氰化氫（HCN）、氮氧化合物（NOx）、HCl、溴化氫（HBr）、氟化氫（HF）、二氧化硫（SO2）、丙烯醛和甲醛等成分的信息。此試驗方法結(jié)果重復(fù)性好，可以獲得相對直接的煙氣毒性效力值，已被ISO 13344《燃燒流出物致死毒性的估定》和ISO/TS 13571《火災(zāi)威脅生命的部位 利用火災(zāi)數(shù)據(jù)脫逃有效時間的評定導(dǎo)則》引用于火災(zāi)危險性的評估。ISO 19700規(guī)定的穩(wěn)態(tài)管式爐流經(jīng)試驗可以模擬火災(zāi)發(fā)展多個不同的燃燒階段和燃燒煙氣釋放情況，試驗具有可控性、重復(fù)性和易于實現(xiàn)等明顯的優(yōu)勢，建議可采用此試驗方法為基礎(chǔ)進行多種材料的試驗以積累數(shù)據(jù)，結(jié)合FT-IR能夠得到煙氣成分的相應(yīng)濃度，來制定相關(guān)評估材料燃燒煙氣毒性的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

王俊勝等[5，6]利用英國FTT公司錐形量熱-芬蘭Gasmet公司傅里葉變換紅外光譜儀聯(lián)用對硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料（PU）、阻燃硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料（FRPU）和阻燃硬質(zhì)聚氨酯泡沫/蒙脫土復(fù)合材料（FRPUMMT）的燃燒行為和燃燒煙氣中毒害氣體進行了分析，研究結(jié)果表明未添加阻燃劑的PU在燃燒過程中表現(xiàn)較強的火災(zāi)熱危險性和火災(zāi)煙氣危險性，且隨輻照強度的增大而增大。同時也應(yīng)該看到錐形量熱儀測試也存在一定的不足：①燃燒氣體經(jīng)過錐形加熱裝置時成分有可能會發(fā)生變化，如NO就很容易變成NO2，造成后續(xù)FT-IR測試煙氣成分的結(jié)果偏離；②燃燒煙氣生成時濃度較高以及在通過裝置的不銹鋼結(jié)構(gòu)時會導(dǎo)致某些煙氣成分難以探測；③試樣一直處于完全通風(fēng)的條件下，僅能模擬ISO的燃燒階段1b（陰燃，無焰燃燒）和燃燒階段2（通風(fēng)良好的有焰燃燒）2種情況。

煙密度測試箱在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，該測試方法可以用來檢測塑料制品、軌道交通非金屬材料、船舶非金屬材料、電線電纜制品等的煙密度等級；根據(jù)該測試方法，一般可適用的標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E662、ISO 5659-2以及NES 711煙密度測試方法；如果選配其他測試裝置，如德爾格氣體檢測管，可以進行航空標(biāo)準(zhǔn)的煙毒性測試，和FT-IR傅立葉紅外變換裝置對接，完成煙氣含量的定性及定量分析等。FT-IR和煙霧密度箱聯(lián)用在線測試，可以定性定量在線測試燃燒產(chǎn)生的13種有毒氣體，如CO、CO2、NO、NO2、氨氣（NH3）、一氧化二氮（N2O）、SO2、HCN、甲醛（HCHO）、HCl、甲烷（CH4）、乙炔（C2H2）、乙烯（C2H4），根據(jù)需要還可以特殊定制增加至52種。

單體燃燒試驗（SBI）裝置是目前評價建筑材料火災(zāi)危險性和建筑材料燃燒性能分級的重要工具，可獲得熱釋放速率、總熱釋放量、燃燒速率增長指數(shù)、生煙速率、總生煙量和生煙增長指數(shù)等燃燒性能參數(shù)。王俊勝等[7]利用SBI分別研究了聚異氰酸酯改性硬質(zhì)聚氨酯泡沫（PIR-PU）、EPS和XPS 3種材料的燃燒行為，并利用FT-IR聯(lián)用對燃燒煙氣中的主要毒性氣體進行了在線定性和定量分析。XPS受火時會產(chǎn)生HBr，而PIR-PU會產(chǎn)生HCN。HCN、CO和HBr的30min吸入半致死濃度（30min LC30）分別為165μL/L、5 700μL/L、3 800μL/L，HCN的煙氣毒性遠(yuǎn)高于CO和HBr。

2.傅里葉紅外變換光譜法與其他分析設(shè)備的聯(lián)用

孫詩兵等[8]利用熱重-紅外-質(zhì)譜三機聯(lián)用技術(shù)，通過在線程序即時通過熱重分析了受熱過程中殘余固體質(zhì)量變化規(guī)律的同時，結(jié)合FT-IR實驗和質(zhì)譜實驗同步對熱解過程中逸出氣體成分分析，更深入研究了酚醛泡沫塑料的熱解反應(yīng)過程。酚醛泡沫塑料熱解過程分3個階段：第1階段，失重率4%，主要失中產(chǎn)物為水；第2階段，釋放產(chǎn)物有CO2、H2O，還可能有多元醇，苯酚，甲烷及異氰酸酯產(chǎn)生；第3階段時，CO2譜峰面積達(dá)到最大值，299℃觀察到異氰酸酯的吸收峰，檢索還可能有苯酚、甲烷、及含氮化合物化物及有毒氣體異氰酸酯，這為酚醛泡沫塑料保溫板作為建筑外墻外保溫材料的防火安全性提供技術(shù)支持和重要參考。

3.傅里葉紅外光譜法在火災(zāi)煙氣分析中的應(yīng)用

在對材料的耐高溫或燃燒性能研究中，可以使用熱重TG-FT-IR聯(lián)用技術(shù)研究材料的熱解特性，通過控制不同的熱解氣氛（純氮、缺氧和空氣氣氛）和熱解升溫速率等條件，可以得到材料每個階段的熱解產(chǎn)物，進一步得到材料熱解或燃燒過程中的規(guī)律，探索可能的熱分解機理[9-11]。TG-FT-IR聯(lián)用技術(shù)對研究熱解煙氣釋放機理和材料阻燃機理都非常重要。

國際上對材料火災(zāi)煙氣毒性評價一般是通過在實驗室燃燒材料產(chǎn)生毒性氣體，優(yōu)先考慮定量評價數(shù)學(xué)模型，其次才是動物實驗來評價材料燃燒煙氣的毒性。FT-IR作為一種多成分火災(zāi)煙氣在線分析方法在這方面有突出優(yōu)勢。FT-IR如能結(jié)合ISO 9705《全尺寸房間燃燒試》設(shè)備、GB/T 29416《建筑外墻外保溫系統(tǒng)的防火性能試驗方法》裝置和10MW熱釋放速率測試裝置（大型錐形量熱儀）等聯(lián)機使用FT-IR法研究火災(zāi)煙氣的生成、發(fā)展、蔓延趨勢，對建筑物和大型復(fù)合體（包括機車車輛、車輛、倉庫和構(gòu)成方式）以及對原料、建筑物和實體模型進行廣泛的防火性能試驗驗證和在線FT-IR煙氣分析研究，必將對揭示火災(zāi)煙氣生成規(guī)律和改善材料燃燒性能會起到更大的作用。

火災(zāi)煙氣毒性則被認(rèn)為是影響人員安全疏散的重要因素，而煙氣組分濃度可以通過聯(lián)機FT-IR在線分析來獲得。性能化評估中火災(zāi)煙氣毒性大小常常根據(jù)評估軟件擬合的煙氣組分濃度計算出的FED或FEC進行定量評估。FEC大于1.0時，大部分人員會造成傷害，當(dāng)FED的值小于0.1時，對暴露在其中的人員是安全的。如人員疏散時間超過FED達(dá)到0.1（或FEC達(dá)到1.0）的時間，則該建筑物被評估為不安全的[2]。

四、結(jié)語

FT-IR作為一種火災(zāi)煙氣在線分析方法，具有快捷、靈敏、準(zhǔn)確、測定范圍廣、預(yù)處理少、能實現(xiàn)多組分同時在線分析的優(yōu)點。隨著我國相關(guān)FT-IR技術(shù)的深入研究及相關(guān)煙氣毒性分析標(biāo)準(zhǔn)化的制定和推廣，F(xiàn)T-IR及其聯(lián)用技術(shù)將會在材料熱解特性、火災(zāi)煙氣毒性判斷、火災(zāi)中煙氣釋放規(guī)律模擬、性能化評估、材料燃燒性能改善等方面研究中得到更為廣泛的應(yīng)用。

致謝：

感謝北京市建筑節(jié)能與建筑材料管理辦公室墻改基金“建筑用保溫系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀與75%節(jié)能相關(guān)技術(shù)研究”；北京市功能高分子建筑材料工程技術(shù)研究中心開放課題“高阻燃聚氨酯泡沫保溫材料的燃燒性能研究”；北京金隅集團有限責(zé)任公司重點項目“綠色建筑外墻防火安全體系評價研究”的資金支持。

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