基于錐形量熱儀試驗的典型線束包覆物燃燒特性研究*

崔杰　毛亞岐　吳剛　居曉宇　楊立中（.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，合肥 3006；.安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 300）

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基于錐形量熱儀試驗的典型線束包覆物燃燒特性研究*

崔杰1毛亞岐2吳剛2居曉宇1楊立中1
（1.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，合肥 230026；2.安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230022）

【摘要】為了研究汽車典型線束包覆物的火災危險性，采用ISO 5660錐形量熱儀對2種原材料PA66、PA6以及3種典型線束包覆物成品波紋管（PP）、扎帶（PA6）、熱縮管（交聯聚烯烴）在不同輻射通量密度下進行了輻射引燃試驗，測得點燃時間和熱釋放速率等參數，并利用不同輻射條件下的點燃時間推算出它們的臨界輻射通量密度。對5種材料火災增長指數和火災性能指數等多種評價參數進行了分析，結果表明，在這5種試驗樣品中，危險性最高的為波紋管（PP），危險性最低的為熱縮管（交聯聚烯烴）。

主題詞：線束包覆物錐形量熱儀火災特性參數熱釋放速率

1　　引言

根據我國消防部門的統計［1，2］，近10年汽車火災的首要原因是電氣系統故障（占汽車火災總數的44%），主要是由于發動機艙及排氣管周圍溫度過高，導致附近線束包覆物及管路熔融自燃引起的。目前，很多國家已經開展了對汽車火災燃燒特性的研究，美國、歐盟相繼出臺了針對汽車火災安全的行業標準或法規，嚴格規定汽車各系統的火災安全標準［3］。我國關于汽車火災的研究還是空白，只是對汽車內部裝飾材料的火災危險性進行了研究。1987年我國出臺了最早的材料燃燒測試標準GB 8410-1987《汽車內飾材料的燃燒特性》，并已經過多次修訂，主要測試標準包括材料最大水平燃燒速度、內飾材料的氧指數、塑料類內飾材料煙密度等級等［4］。但我國有關發動機艙內部材料的燃燒特性參數還有待深入研究，同時也缺乏相應的汽車材料火災評判標準及規范。

本文利用錐形量熱儀對不同原材料的線束包覆物進行了測試，判斷出燃燒難易程度及相應的火災危險性，為相應汽車材料火災評定標準的制定提供了參考。

2　　試驗系統

本文中的試驗樣品均為汽車上的典型材料，具體參數見表1。在錐形量熱儀試驗中，將5種線束包覆物材料用錫箔紙包裹，僅暴露其上表面，置于樣品架內，如圖1所示。定義點燃時間為試驗材料從暴露于輻射源下至表面有明顯發光火焰的時間［5］，設定臨界點燃時間為600 s，即點燃時間超過600 s則認為不燃，此時輻射通量密度小于臨界輻射通量密度。在整個試驗過程中輻射通量密度有25 kW∕m2、30 kW∕m2、35 kW∕m2、40 kW∕m2、45 kW∕m2，在每組輻射通量密度下進行3次試驗，點燃時間取平均值。

3　試驗結果與分析

錐型量熱儀試驗按照ISO 5660的要求進行，燃燒過程如圖2所示。

3.1單位面積熱釋放速率

單位面積熱釋放速率（heat release rate，HRR）指單位面積材料燃燒在單位時間內所釋放的熱量［6］，是衡量材料綜合火災性能及潛在火災危險性的一個重要參數，同時也控制和影響其他燃燒性能參數。一般來說，在小比例火災中，HRR越高、點燃時間越短、燃燒速度越快的火災，其危險性就越大。

圖3給出了在輻射通量密度為30 kW∕m2時各樣品的HRR隨時間的動態變化曲線。以PA66原材料為例：樣品暴露于強輻射下，導致其能量不斷積聚，從而引燃，出現第1個峰值；隨后進入相對穩定的階段，此時HRR沒有增加，是因為材料阻燃劑的有效保護，其形成一個絕緣炭層，阻礙熱量向內傳導；而第2個峰值的出現則是由于熱量不斷積聚導致保護層逐漸瓦解，材料快速燃燒［7，8］。由圖3可知，在相同輻射條件下，扎帶HRR最大，熱縮管HRR較小，基本處于弱勢穩定燃燒狀態。不同材料因其材質及添加劑的不同，會呈現不同的熱物反應，有的材料在點燃之前會出現略微的膨脹，從而導致樣品表面到輻射源的距離減少，輻射通量密度相對增大，物質分解加速，從而點燃時間相對縮短。通過對比PA6的原材料與其制成的扎帶可以看出，在產品制造過程中，由于有添加劑的作用，相同輻射條件下扎帶的點燃時間更長，但其HRR也更大。因此，在制造過程中應選擇合適的添加劑以提高材料的阻燃性能。

表2給出了各樣品在輻射通量密度為30 kW∕m2條件下的點燃時間（time to ignition，TTI）、單位面積熱釋放總量（total heat release，THR）和單位面積最大熱釋放速率（peak heat release rate，PHRR）。

表2　錐形量熱儀試驗結果（輻射通量密度為30 kW/m2）

3.2單位面積熱釋放總量

圖4顯示了5種典型線束包覆物的THR，THR反映的是單位面積的材料在獨立于外部條件（如通風條件及材料破損程度等）下所釋放的內部能量，THR曲線的梯度表示火焰傳播速度［9］。從圖上可以看出，扎帶的火焰傳播速度最快、火災危險性最大，熱縮管的火焰傳播速度最慢、火災危險性最低。

3.3質量損失

圖5顯示了5種典型線束包覆物材料在輻射通量密度為30 kW∕m2時其質量隨時間的變化過程。在燃燒過程中，部分材料的阻燃劑受熱膨脹形成保護層，阻礙了傳熱與傳質的發生，此時材料質量損失較小。該保護層可阻礙氧氣擴散到基質從而延緩其燃燒，同時可降低蒸發率，但隨著輻射時間的增加，該保護層逐漸瓦解，質量損失加劇，此時對應圖5中曲線上的各個轉折點。由圖5可知，波紋管與扎帶質量損失較快，而PA66原材料則相對緩慢，由于保護層的存在，前200 s內其質量損失只有10%左右，燃燒一段時間后質量才開始急劇下降。

3.4火災危險性評價

HRR及THR是衡量火災危險性的重要參數，但其只能反映材料一方面的特性，因此應用單一方法可能造成評價結果的不一致。為了使評價結果更具全面性，引入火災性能指數和火災增長指數［10］。火災性能指數FPI 為TTI同PHRR的比值，即FPI=TTI∕PHRR。火災增長指數FGI為材料PHRR同到達最大熱釋放速率時間（time to peak，TTP）的比值，即FGI=PHRR/TTP。FPI和FGI可以直接反應樣品的安全等級，較高安全等級的材料需同時具備較高的FPI和較低的FGI［11，12］。圖6顯示了這5種典型線束包覆物的FPI和FGI，熱縮管有最高的FPI和最低的FGI，因而具有較高的安全等級。由圖6可知，5種線束包覆物安全等級由高到低依次為熱縮管、PA66原材料、PA6原材料、扎帶、波紋管。

另一種火災危險評判方法是通過比較THR與1∕FPI之間的關系，從而判斷火災類型［13］。如圖7所示，縱坐標越大表明材料燃燒越持久，橫坐標越大表明材料火勢增長越快。由圖7可知，這5種材料發生火災時呈現不同的火災特性，PA66和PA6發生著火時其持續時間持久但火勢增長較慢，波紋管發生火災時其火勢增長較快但持續時間短。

3.5臨界輻射通量密度

臨界輻射通量密度是指材料能夠被引燃所需要的最小輻射通量密度。Mikkola和Wichman［14］根據固體可燃物受到外界熱輻射時內部熱傳導狀況的不同，提出了熱厚型輻射點燃模型。Delichatsios［15］在此基礎上，根據外加輻射通量密度的大小對模型進行修正，提出了修正模型：

式中，tig為點燃時間；κ為導熱系數；ρ為材料密度；c為比熱容；q0為初始外部輻射通量密度；qcr為材料臨界輻射通量密度；Tig和T0分別為材料點燃溫度和環境溫度。

由式（1）可以看出，點燃時間的均方根倒數同外加輻射通量密度呈線性關系，因此測得5種典型線束包覆物材料在輻射通量密度為25 kW∕m2、30 kW∕m2、35 kW∕m2、40 kW∕m2、45 kW∕m2條件下的點燃時間，如表3所示，隨著輻射通量密度的增加，點燃時間縮短。將點燃時間的均方根倒數和輻射通量密度作圖并對其進行線性擬合如圖8所示。

圖8中5條擬合直線的表達式分別為：

表3　　不同輻射通量密度條件下線束包覆物的平均點燃時間

由式（2）～式（6）可以得到PA66原材料和PA6原材料以及波紋管、扎帶、熱縮管的臨界輻射通量密度分別為8.11 kW∕m2、8.25 kW∕m2、6.48 kW∕m2、12.93 kW∕m2和8.93 kW∕m2，也就是在標準試驗條件下輻射時間無限長所需要的能夠點燃材料的最小輻射通量密度。臨界輻射通量密度的大小表示材料在火災中受輻射熱流的影響程度，臨界輻射通量密度越小，表明材料所需引燃的輻射熱流小，在火災中容易被引燃，火災危險性相對較高。通過比較這5種典型線束包覆物的臨界輻射通量密度可以看出，火災危險性最高的是波紋管，火災危險性最低的是扎帶和熱縮管。

4　　結論

a.材料HRR隨時間變化的曲線可能出現1個或多個峰值。部分材料因阻燃劑的作用，點燃后HRR先達到峰值，然后維持平穩，隨后由于阻燃層被破壞，HRR繼續增加。

b.5種線束包覆物材料均可以被點燃，隨著輻射通量密度增加，HRR增大，點燃時間縮短。在相同輻射通量密度下（30 kW∕m2）THR最多的是PA66原材料，其次是PA6原材料和扎帶，熱縮管THR少。5種線束包覆物的臨界輻射通量密度由大到小依次為扎帶、熱縮管、PA6原材料、PA66原材料、波紋管。

c.5種線束包覆物火災安全等級由高到低依次為熱縮管、PA66原材料、PA6原材料、扎帶、波紋管。PA66和PA6原材料點燃后持續時間較長但火勢增長較慢，波紋管發生火災時其火勢增長快但持續時間短。

d.通過PA6原材料與其制成的扎帶對比發現，PA6原材料HRR低但THR多、燃燒持久，扎帶臨界輻射通量密度大，較難引燃，但引燃后危險性高。因此，在制造過程中應選擇合適的阻燃劑降低其火災燃燒性能。

e.在材料選擇上，應盡量選擇放熱量小、臨界輻射通量密度大的材料，如交聯聚烯烴。

參考文獻

1李海江.機動車火災統計與分析.中國公共安全：學術版，2013（4）：51～53.

2杜建華，張認成，丁環，等.汽車火災探測研究現狀及發展趨勢［J］.消防科學與技術，2012，31（4）：436-439.

3Smith J.Wildland fire risk assessment system：A new tool for fire prevention.Forest Landowner，2004，63（1）：44～46.

4匡龍.汽車內飾材料燃燒測試簡述及發展趨勢.科技資訊，2013（21）：77-78.

5付麗華，張瑞芳，石龍.基于錐形量熱儀試驗的卷煙及其包裝材料燃燒特性研究.火災科學，2009，18（1）：20～25.

6彭小芹，劉松林，盧國建.材料熱釋放速率的試驗分析［J］.重慶大學學報（自然科學版），2005，8：030.

7Chen X，Jiao C.Flame retardancy and thermal degradation of intumescent flame retardant polypropylene material.Polymers for Advanced Technologies，2011，22（6）：817～821.

8Tsai K C.Orientation effect on cone calorimeter test results to assess fire hazard of materials.Journal of hazardous materials，2009，172（2）：763～772.

9Almeras X，Le Bras M，Hornsby P，et al.Effect of fillers on the fire retardancy of intumescent polypropylene compounds.Polymer degradation and stability，2003，82（2）：325～331.

10Schartel B，Hull T R.Development of fire-retarded materials—Interpretation of cone calorimeter data.Fire and Materials，2007，31（5）：327～354.

11Fang S，Hu Y，Song L，et al.Mechanical properties，fire performance and thermal stability of magnesium hydroxide sulfate hydrate whiskers flame retardant silicone rubber. Journal of Materials Science，2008，43（3）：1057～1062.

12Jiao C，Chen X，Zhang J.Synergistic effects of Fe2O3with layered double hydroxides in EVA∕LDH composites.Journal of fire sciences，2009，27（5）：465～479.

13Schartel B，Braun U，Schwarz U，et al.Fire retardancy of polypropylene∕flax blends.Polymer，2003，44（20）：6241～6250.

14Mikkola E，Wichman I S.On the thermal ignition of combustible materials.Fire and Materials，1989，14（3）：87～96.

15Delichatsios M A，Panagiotou T H，Kiley F.The use of time to ignition data for characterizing the thermal inertia and the minimum（critical）heat flux for ignition or pyrolysis.Combustion and Flame，1991，84（3）：323～332.

（責任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年1月25日。

中圖分類號：U463.62；O643.2+1

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）06-0032-04

*基金項目：國家自然科學基金項目（51323010）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（WK2320000033）。

通訊作者：楊立中，男，教授，博士生導師，主要從事汽車火災等方面的研究，yanglz@ustc.edu.cn。

Combustion Characteristic of Typical Wire Coating Based on Cone Calorimeter

Cui Jie1，Mao Yaqi2，Wu Gang2，Ju Xiaoyu1，Yang Lizhong1
（1.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026；2.Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230022）

【Abstract】To study the fire properties of the typical wire coating materials of automobile，we use ISO 5660 cone calorimeter to make radiation ignition test on two raw materials PA66 and PA6，and three different wire coating materials of PP，PA6 and XLPO under different radiation flux densities，to get parameters like ignition time，heat release rate（HRR），and use ignition time at different radiation conditions to calculate their critical radiation flux density.Through analysis of fire grow index（FGI），fire performance index（FPI）and other evaluation parameters，we conclude that PP has the highest fire risk while XLPO has the lowest fire risk.

Key words:Wire coating materials，Cone calorimeter，Fire properties，Heat release rate