趙震，于全蕾，李旭光，倪延強，黃國斌

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031)

軌道車輛無論是在靜止還是運行過程中，熱傳遞每時每刻都在以熱傳導、熱輻射和熱對流這3種傳遞方式同時進行[1]，為了避免由于車輛熱傳遞給乘客帶來的不適，降低車輛的能量損耗，提高能量利用率，必須在車體適當的位置鋪設隔熱保溫材料。保溫材料包括無機保溫材料和高分子保溫材料，高分子保溫材料有著無機材料無可替代的物理性能，不僅能夠起到節(jié)能減排保溫隔熱的作用，同時也可以減少配重使列車輕量化，提高車輛運行速度。然而在阻燃性能方面，無機材料大多可歸為不可燃材料，火災危險性較低，而高分子保溫材料大多屬于易燃物，在燃燒時會釋放大量的熱以及煙霧毒氣，其作為一種在車內大面積連續(xù)鋪設的火災固定載荷，一旦發(fā)生火災，火勢容易迅速蔓延至整個車廂，對人員生命和財產安全產生嚴重威脅[2]，是火災發(fā)生的重大危險源，因此軌道車輛用高分子保溫材料的燃燒行為與火災危險性值得重點關注。

目前高分子保溫材料燃燒性能的研究大多集中在建材領域，對聚氨酯泡沫以及聚苯乙烯泡沫等材料的研究較多[3–7]，其研究手段也大都基于錐形量熱法[8–9]，然而材料的燃燒行為是多因素綜合影響的過程，僅采用單個測試方法有時會很片面，不能貼近材料真實的燃燒情況，應采用多種測試表征與綜合考量相結合的方式對材料的燃燒行為進行全面的評價。層次分析法(AHP)是定性與定量分析相結合，多目標、多準則的決策方法[10]，可用于聚合物材料的火災危險評價。舒中俊、吳蕓等運用AHP對鋪地材料、保溫材料、碳纖維復合材料等高分子材料的火災風險進行了評估排序，在材料的火災危險評估方面取得了進展[11–15]，然而對于軌道車輛用高分子材料的火災危險性綜合評估仍處于空白，因此筆者選取了3種典型的軌道車輛用高分子保溫材料，分別為橡塑海綿(RPS)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)結構泡沫和三聚氰胺泡沫(MRF)作為研究對象，依據目前國內外通用的軌道車輛非金屬材料防火檢測標準EN45545-2：2020《鐵路應用—鐵路車輛防火—第二部分：材料和部件的防火性能要求》[16]，采用4種不同的測試方法分別從熱釋放、煙密度、毒性氣體以及火焰蔓延多個方面對3種高分子保溫材料的燃燒行為進行研究，并基于AHP法建立高分子保溫材料火災危險性評價體系，對其火災危險性進行綜合評價，從而為軌道車輛用高分子保溫材料的選材應用以及該類材料未來的發(fā)展方向提供合理的建議。

1 實驗部分

1.1 原材料

MRF：由三聚氰胺甲醛樹脂微波發(fā)泡制成的三維網狀軟質熱固性泡沫塑料，常熟市軍友塑料制品有限公司；

RPS：以丁氰橡膠和聚氯乙烯為主要原料發(fā)泡制成的軟質彈性閉孔保溫節(jié)能材料，常熟市軍友塑料制品有限公司；

PET結構泡沫：江蘇越科新材料有限公司。

1.2 儀器

NBS煙密度試驗箱：FTT0064型，英國FTT公司；

錐形量熱儀：FTT0242型，英國FTT公司；

傅里葉變換紅外(FTIR)煙氣毒性測試系統(tǒng)：ACF5000型，加拿大ABB公司；

火焰蔓延測試儀：IMO型，昆山莫帝斯燃燒技術儀器有限公司。

1.3 測試方法

(1)煙密度。

按照ISO 5659-2：2017《塑料煙生成第2部分單室法測定煙密度試驗方法》(50 kW，無引燃，10 min)測試，樣品尺寸為75 mm×75 mm×10 mm。

(2)毒性指數。

按照EN17084：2018《鐵路應用—鐵路車輛防火—材料和部件的毒性試驗》(50 kW，無引燃，10 min)測試，樣品尺寸同煙密度測試。

(3)熱釋放速率。

按照ISO 5660-1：2015《對火反應試驗熱釋放、起煙和質量損失率第1部分：熱釋放速率(錐形量熱儀法)和產煙率(動態(tài)測量)》(50 kW，10 min)測試，樣品尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。

(4)火焰蔓延。

按照ISO 5658-2：2006/Amd.1：2011《對火反應試驗-火焰?zhèn)鞑?第2部分：火焰在建筑物和運輸工具垂直表面的橫向蔓延》(20 min)測試，樣品尺寸為855 mm×100 mm×10 mm。

2 結果與討論

2.1 熱釋放速率

圖1為3種材料的熱釋放速率隨時間變化曲線?？梢钥闯鯩RF最快達到熱釋放速率峰值，其次是PET泡沫，RPS達到峰值所用時間最長，MRF和RPS的峰值相差不大分別為30 kW/m2與23 kW/m2，而PET泡沫的峰值卻可以達到269 kW/m2，高于前兩者10倍左右，說明燃燒時PET泡沫有著巨大的放熱危險，MRF與RPS的放熱危險較低。

圖1 高分子保溫材料熱釋放速率與時間的關系

2.2 煙密度

圖2為3種保溫材料的煙密度隨時間變化曲線?？梢钥闯?，MRF的發(fā)煙程度較低首先在50 s左右達到第一個煙密度峰值為49，隨后在300 s后煙密度重新開始緩慢上升在600 s內達最大值為72。而RPS產煙速率很快，在55 s就達到了煙密度峰值為211，PET泡沫產煙稍慢但煙密度峰值是三者之中最大的為258，從產煙特性方面判斷RPS與PET泡沫二者均具有很大潛在火災安全隱患。

圖2 高分子保溫材料煙密度與時間的關系

2.3 毒性指數

采用FTIR對NBS煙箱中燃燒產物的有毒氣體和蒸汽進行取樣分析，檢測CO，CO2，HCN，SO2，氮氧化合物(NOX)，HF，HCl以及HBr 8種毒性氣體的含量，根據定義的火災模型以及氣體的實測結果與基準濃度之間的比例共同計算得出毒性指數(CITG)，見公式(1)。表1示出3種材料燃燒時第4 min與8 min的CITG，從表1可看出，無論是4 min還是8 min，RPS的毒性指數均為最高，具有最大的火災毒性危險，PET泡沫次之，MRF毒性指數最小，且三者在4 min，8 min的毒性差別不大，說明在產煙過程中毒性氣體成分一直在持續(xù)釋放。

表1 毒性指數實驗結果

式中：ci——煙室內第i種氣體的濃度實測值，mg/m3；

Ci——第i種氣體的基準濃度，mg/m3。

2.4 火焰蔓延

在外加熱輻射與引燃條件作用下，研究火焰在材料垂直表面的橫向蔓延行為，以評估列車發(fā)生火災時其火焰?zhèn)鞑饎莅l(fā)展的影響，結果見表2。其中MRF表現出最優(yōu)異的阻燃性能，熱輻射與點燃條件共同作用下未能被引燃，沒有發(fā)生火焰?zhèn)鞑ァ６鳵PS與PET泡沫則被迅速引燃，并可在材料表面持續(xù)燃燒3 min以上，其火焰?zhèn)鞑プ钸h距離(D)分別為350 mm與400 mm，假設一旦發(fā)生火災，這兩種材料會迅速燃燒，擴大火焰蔓延范圍并加劇火勢的發(fā)展，存在極大的火災風險。

表2 火焰蔓延實驗結果

2.5 火災危險性綜合評價

雖然采取了4種不同的測試方法對材料的燃燒特征分別進行了研究，但每種測試方法大多只能反映出材料的某一種火災特性，燃燒性能之間的相互比對常常出現依據不同參數比較結果不一致的情況，而在實際火災中火勢的發(fā)展是動態(tài)的、多參數相互影響的過程，所以對材料的火災危險評價也應該是多角度多參數相結合，因此筆者通過引入AHP，建立層次結構模型來對高分子保溫材料的火災危險進行全面綜合的評價。

AHP由美國運籌學家Saaty于20世紀70年代提出[17]，它將與決策相關的元素分解成目標、準則、指標、方案等層次，通過數字處理與人的經驗和主觀判斷共同作用，是一種定性與定量相結合的多準則、多目標的火災風險評估方法，主要包括建立層次結構模型、構造判斷矩陣、計算權重向量及一致性檢驗等4個步驟。

(1)層次結構模型。

首先將高分子保溫材料的火災危險性作為目標層，其火災危險性主要體現在材料的煙霧危險、放熱危險以及火焰蔓延危險三方面，其可作為基準層。煙霧危險包含的煙密度與氣體毒性指數可作為煙霧危險的指標層，同理熱釋放速率、放熱總量與火焰蔓延性能可作為放熱危險與火蔓延危險的指標層，因此建立層次結構模型，其模型圖如圖3所示。

圖3 高分子保溫材料火災危險性層次結構模型

以測得的煙密度最大值(Dsmax)和CITG(4 min或8 min中最高CITG值)代表材料的煙氣危險，D代表其火焰蔓延風險，燃燒時最大平均熱釋放速率(MARHE)和總放熱量(THR)代表其放熱危險，詳細實驗結果見表3。

表3 高分子保溫材料實驗數據

(2)構造判斷矩陣。

基于軌道列車封閉結構和運行環(huán)境的特點并結合典型的火災事故危險后果分析[18]，一般認為煙氣毒性危險性＞生煙危險性＞火蔓延危險性＞燃燒危險性。根據上述幾個評價方面，按照9標度法兩兩比較，由此可建立高分子保溫材料火災危險評價的判斷矩陣A。判斷矩陣的標度及含義見表4。按照表4的標度，將火災危險評價因素重要性兩兩對比，確定相互之間的相對重要性標度見表5。

表4 判斷矩陣的標度及含義

表5 判斷矩陣的相對標度值

由此可得高分子保溫材料火災危險評價的判斷矩陣A如式(1)：

(3)計算特征向量。

帶入n=5數據進行計算得：

其對應的判斷矩陣最大特征根如式(2)：

(4)判斷矩陣一致性檢驗。

判斷矩陣一致性檢驗依據如下，CR為矩陣一致性比率，當CR＜0.1時，判定矩陣A具有滿意的一致性。CI為一致性檢驗指標如式(3)。

n=5時查表得隨機一致性指標RI=1.12，1 000次重復進行隨機判斷矩陣特征值的計算后取算術平均值得到的1～9階RI值。

排序一致性檢驗,如式(4)。

因此判斷矩陣具有較好的一致性，可使用其特征向量作為權重向量，即可得到5個火災危險性評價參數的權重值見表6。

表6 火災危險性評價因素權重值

首先將表3實驗數據歸一化處理，每個評價指標歸一化的實驗值與其對應的總目標權重乘積相加，就可以得到每種材料的火災危險綜合指數，分值越高說明火災危險性越高，每種材料的火災危險綜合指數(THFI)見表7。

表7 高分子保溫材料火災危險綜合指數

3種材料的火災危險綜合指數分別為：PET泡沫 為0.44，MRF為0.10，RPS為0.46，可 以 看 出MRF的火災危險性最小，PET泡沫火災危險性略低于RPS，RPS的火災危險性最大。

3 結論

(1) PET泡沫、RPS和MRF的燃燒特征參數各有高低，各項燃燒特征參數相互比較不能準確判斷材料火災危險性大小。

(2)基于層次分析法建立了高分子保溫材料火災危險性評價體系，PET泡沫、RPS和MRF的火災危險綜合指數分別為：0.44，0.46，0.10，3種材料火災危險性由高到低為：RPS＞PET泡沫＞MRF。