室內常用裝飾材料燃燒性能研究

馬麗

（遼寧省沈陽市大東區消防救援大隊，遼寧 沈陽 110031）

室內常用裝飾材料多為易燃燒的棉、麻、皮革、木材以及合成纖維等典型的可燃物。琳瑯滿目的室內裝飾材料在給人們帶來美輪美奐的視覺盛宴的同時也帶來令人深惡痛絕的火災隱患。因此對室內裝飾材料燃燒性能的研究就顯得非常有必要，其研究能有效地從根本上預防和控制火災的發生和發展[1-3]。

近年來，世界上很多國家都投入了大量人力物力對室內裝飾材料燃燒性能進行研究。美國的NIST 研究了多種建筑材料的燃燒性能，并對建筑材料火災特性數據庫進行了建立，其中以熱釋放速率為主，為消防工作在火災荷載、火災危險性評估等方面提供了權威的理論指導；Peacock 等人用錐形量熱儀對火車車廂內的裝飾材料進行了燃燒特性測試；Hirschler 使用錐形量熱儀對35 種商用塑料進行了燃燒特性的測試，并對其危險性進行分類；Heskestad 等使用錐形量熱儀對三十多種材料燃燒釋放的煙氣進行了研究，并成為歐洲煙氣分級的標準；歐洲材料燃燒分級標準工作組EUREFIC 用錐形量熱儀等設備對62 種材料進行了測試，并以此為基礎建立了較為健全的資料庫，并在此基礎上制定了相關建筑材料的分級標準；Hansen 等人在50 kW/m2熱射條件研究了14 種材料的燃燒特性，并以此為基礎提出了在此條件下點燃時間的公式。張旭等使用硫酸銨和磷酸二氫銨為原料，按不同的質量比例混合制備水基阻燃液，然后利用其對皮革和地毯進行阻燃處理，再對經過阻燃處理和未處理的樣品進行燃燒性能和熱分解特性表征，實驗結果表明9：1 比例的阻燃液對地毯效果最好。他們的研究結果為將來探究水基阻燃液的制備和應用研究提供重要的參考[4-6]。

目前研究采用錐形量熱儀對三種室內常用裝飾材料包括皮革、地毯、棉布引燃特性進行實驗研究，以確定它們在不同條件下的輻射引燃危險。并采用差熱天平對其熱解特性進行研究。為室內常用裝飾材料的選用和火災預防與控制提供理論指導。

1 實驗

1.1 實驗材料

硫酸銨和磷酸氫二銨（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），用于配制阻燃劑。三種室內常用裝飾材料：皮革、地毯和棉布，用于進行燃燒性能研究。

1.2 實驗樣品制備

水基型阻燃劑制備如下，將藥品按所需比例混合制成溶液。在本實驗中所用藥品有硫酸銨和磷酸氫二銨兩種，這兩種藥品以任意比例制成溶液都可以作為水基阻燃處理劑使用。但為使其達到理想效果本次實驗中以80：20 比例配制阻燃劑。將皮革、地毯、棉布剪成尺寸100×100mm的樣品，每個裝有阻燃劑的燒杯中每種樣品分別放入3 片，浸泡24 h，之后自然風干。然后對未阻燃和阻燃后的皮革、地毯和棉布進行燃燒特性測試。

1.3 實驗設備

錐形量熱儀（南京上元分析儀器有公司，SZL-1 型）用于樣品熱釋放速率（HRR）測試。微機差熱天平（北京恒久科學儀器廠，HCT-1 型）用于樣品差熱-熱重（DTA-TG）分析。

2 結果與討論

2.1 裝飾材料燃燒性能測試分析

由于本次研究的是室內火災發展初期的規律，因此熱輻射通量采用25kW/m2、35kW/m2和45kW/m2三種。這些熱輻射水平可以代表小規模火災和中等規模火災的熱輻射水平。表1 和表2 為未處理皮革、地毯和棉布、硫酸銨與磷酸氫二銨阻燃劑處理后皮革、地毯和棉布共計六種實驗材料在不同的熱輻射通量下的熱釋放速率峰值。

表1 不同輻射通量下熱釋放速率峰值

表2 硫酸銨與磷酸氫二銨阻燃劑處理后不同輻射通量下熱釋放速率峰值

由表1 和表2 可知，比較未處理和硫酸銨與磷酸氫二銨處理后皮革試樣熱釋放速率峰值，在熱輻射通量為25kW/m2和35kW/m2時硫酸銨與磷酸氫二銨處理后的試樣明顯低于未處理的試樣。對于地毯而言，燃燒開始不久就達到較高的熱釋放速率，以較高的熱釋放速率持續一段時間后，也會出現一個熱釋放速率峰值，直至熱釋放速率減小，燃燒反應結束。其中未處理試樣在熱輻射通量為25kW/m2時未燃燒，而硫酸銨與磷酸氫二銨阻燃處理過試樣在熱輻射通量為25kW/m2和35kW/m2時均未燃燒。比較未處理和處理后皮革試樣熱釋放速率峰值可知，在熱輻射通量為25kW/m2和35kW/m2時硫酸銨與磷酸氫二銨處理過的試樣明顯低于未處理的試樣。對于棉布而言，燃燒開始不久就達到較高的熱釋放速率，以較高的熱釋放速率持續一段時間后，也會出現一個熱釋放速率峰值，直至熱釋放速率減小，燃燒反應結束。比較未處理和處理后皮革試樣熱釋放速率峰值可知，在熱輻射通量為25kW/m2、35kW/m2和45kW/m2時處理過的試樣明顯低于未處理的試樣。可燃物的熱釋放速率是評價火災發展過程中燃燒性能的一個很重要的指標。此外，根據由表1 和表2 不難看出，對于同種材料而言，隨著熱輻射通量的升高，熱釋放速率峰值也隨之增加。在不同熱輻射通量下，除了可以看出熱釋放速率峰值的變化外，還可以看出在輻射能量增加情況下，熱釋放速率曲線斜率增加，達到峰值的時間也會提前，火災危險性也就越大。

2.2 裝飾材料差熱測試分析

實驗是在升溫速率為100C/min的條件下進行的，實驗曲線見圖1 圖3 所示。各圖中反映了實驗過程中三組實驗樣品的熱分析曲線即熱解失重曲線（TG）和差熱曲線（DTA）。

圖1 皮革熱重和差熱分析曲線

由圖1 可以看出未處理皮革在230 至3100C時失重最大，失重率達到16%，之后曲線平緩，失重速率幾乎不變；經過硫酸銨與磷酸氫二銨阻燃處理過的皮革在200 至3500C時失重最大，達到20%，之后曲線平緩，失重速率幾乎不變。硫酸銨與磷酸氫二銨處理過的在2000C就開始失重速率增大，因為磷酸氫二銨加熱至1550C分解，分解釋放出氨氣，而形成磷酸二氫銨，硫酸銨在2800C以上開始分解，所以在200 至3500C有個失重峰值，硫酸銨高溫分解，吸收熱量，降低環境溫度，同時分解產生的三氧化硫為重質氣體，覆蓋了火焰區表面，可阻止氧氣的進入，有利于阻燃。此外，由圖1 還能發現未處理皮革在2500C之前都是處于吸熱階段，2500C之后處于放熱階段，在4400C時達到放熱峰值4.2μV/mg。硫酸銨與磷酸氫二銨阻燃劑處理皮革在1500C 之前都是處于吸熱階段，1500C之后處于放熱階段，在4600C時達到放熱峰值3.9μV/mg。

由圖2 可以看出未處理地毯在380 至480℃時失重最大，失重率達到80%，之后曲線平緩，失重速率幾乎不變；經過硫酸銨與磷酸氫二銨阻燃劑阻燃處理過的地毯在350 至400℃時失重最大，達到50%，之后曲線平緩，失重速率幾乎不變。由圖2可以看出未處理地毯在120℃之前都是處于吸熱階段，120℃之后處于放熱階段，在510℃時達到放熱峰值6.0μV/mg。硫酸銨與磷酸氫二銨阻燃劑處理后地毯在350℃之前都是處于吸熱階段，350℃之后處于放熱階段，在580℃時達到放熱峰值2.2 μV/mg。

圖2 地毯熱重和差熱分析曲線

由圖3 可以看出未處理棉布在320 至360℃時失重最大，失重率達到70%，之后曲線平緩，失重速率幾乎不變；經過硫酸銨與磷酸氫二銨阻燃劑阻燃處理過的棉布在250 至310℃時失重最大，達到50%，之后曲線平緩，失重速率幾乎不變。由圖3可以看出未處理棉布在280℃之前都是處于吸熱階段，280℃之后處于放熱階段，在356℃時達到放熱峰值6.7μV/mg。硫酸銨與磷酸氫二銨阻燃劑處理棉布在310℃之前都是處于吸熱階段，310℃之后處于放熱階段，在458℃時達到放熱峰值2.7μV/mg。

圖3 棉布熱重和差熱分析曲線

3 結論

通過對三種室內常用裝飾材料進行燃燒性能和差熱-熱重分析，可以得到以下結論：

3.1 同種材料在不同輻射通量下的熱釋放速率曲線形狀是相似的。對于同種材料而言，隨著熱輻射通量的升高，熱釋放速率峰值也隨之增加。隨著熱輻射通量的增大，熱釋放速率曲線斜率也會增加，達到峰值的時間會提前，火災危險性也就越大。引燃時間、到達熱釋放速率峰值與火焰熄滅的時間隨著輻射通量的增加而衰減，到達熱釋放速率峰值與火焰熄滅的時間隨著熱輻射通量的增加而遞減。

3.2 經過硫酸銨和磷酸氫二銨（80：20）混合配制的阻燃劑處理的樣品無論是達到峰值的溫度還是峰值的大小與未處理樣品比較都明顯偏低，其中棉布樣品最為明顯；經過硫酸銨和磷酸氫二銨（80 ：20）混合配制的阻燃劑處理的樣品的引燃時間、到達熱釋放速率峰值時間以及火焰熄滅時間與未處理樣品比較明顯延遲，其中棉布樣品最為明顯。硫酸銨和磷酸氫二銨混合配制的阻燃劑對初期火災有明顯的預防效果。