火災中玻璃破裂行為及其表面附著物特性的研究

陳昊馳 王理翔 宋曉婷

(華北科技學院 北京 101601)

火災中玻璃破裂行為及其表面附著物特性的研究

陳昊馳 王理翔 宋曉婷

(華北科技學院 北京 101601)

通過不同物質燃燒產生火焰與玻片直接接觸，冷卻靜置后采集玻片樣品，對其標注分類，采用X射線光電子能譜分析(XPS)對其分析，發現表面含C、O等元素，分析其元素百分比及判斷其存在形式和玻片破裂因素。通過XPS圖譜分析，依據不同化學態的C元素結合能不同，發現樣品中碳元素的幾種有機碳形態存在形式，根據不同形態含碳有機物結合能，針對燃燒物對有機碳存在形態做出了判斷。

玻璃;燃燒;XPS;結合能

一、引言

火災造成的破壞巨大，難以估量。所以，要讓火源處于可控范圍，盡最大可能減少火災對人類造成的傷害。不同物質產生的火焰顏色高度及熱量都不同，火災環境的復雜性決定不同物質燃燒對玻璃有著不同的損壞程度。[1]為找出不同燃燒物產生的火焰對玻璃產生損壞程度的規律，本文旨在設計實驗來找尋答案。

不同物質燃燒在玻璃表面形成的殘留物質對玻璃表面也有影響，因此用XPS這種表面靈敏的分析工具來分析其表面元素組成。[2]對玻璃受熱破裂分析，可提高對玻璃受熱破裂機理的認識，更清楚的認識到破裂規律性，增強建筑安全防火設計，對制作滅火救援方案與人員安全疏散方案具有非常重要的參考意義。

二、試驗樣品采樣過程

(一)采集材料

采樣材料為玻片，燃燒皿，鑷子，溫/濕度計，燒杯，標簽貼，收納盒，酒精，固態酒精，柴油，醫用棉，聚丙烯樹脂，隔熱手套。1

(二)采樣過程

(1)準備材料，整理歸類；(2)記錄實驗室室溫及濕度，打開排氣裝置；(3)在燃燒皿中放足量酒精，點燃器皿中酒精；(4)戴上隔熱手套，等待5秒至火焰穩定，用鑷子夾持玻片，與實驗臺平行接觸火焰，距燃燒物約4cm，且處于火焰當中，使玻片與火焰充分接觸20秒，在空氣中冷卻至室溫；(5)用兩塊全新重復第4步，分別與火焰接觸40秒，60秒，在空氣中冷卻至室溫；(6)收集三塊玻片，貼上標簽貼并做好相應標記，放于收納盒中，清洗燃燒皿；(7)分別用食用油、柴油、木材、醫用棉、油漆替換酒精，重復上述步驟；(8)收集好樣品，放于收納盒中，整理實驗器材，處理廢渣廢料，關閉排氣裝置；(9)對收集好的樣品(共15塊)進行XPS分析。

1,2,3號樣品為未處理樣品，用于對比；4,5,6號為棉花分別燃燒60s,40s，20s；7,8,9號為酒精燃燒；10,11,12為柴油燃燒20s，40s，60s；13,14,15號為固態酒精燃燒60s，40s，20s；16,17,18為聚丙烯樹脂。

三、XPS分析

(一)XPS全譜分析

進行全譜掃描，得出樣品元素種類。本文設置能量范圍0～1400eV，在該范圍下掃描。

樣品中基本只含C，O兩種元素。分別對這兩個元素進行高分辨率掃描。不對酒精和固態酒精進行分析的原因是其沒有固體燃燒產物，玻片表面無附著物。

樣品中C，O元素占大部分，該分析結果符合常規研究。

XPS定量分析結果如下：4號樣品元素C1s原子百分比為85.496%，O1s為14.504%；5號C1s原子百分比為88.035%，O1s為11.965%；6號C1s Scan A為67.66%，C1s B為7.492%，C1s C為3.165%，C1s D為7.259%，O1s為14.423%；10號C1s A為58.413%，C1s B為23.301%，C1s C為7.101%，C1s D為4.543%，O1s為6.642%；11號C1s A為43.907%，C1s B為31.638%，C1s C為8.806%，C1s D為5.427%，O1s為10.222%；12號C1s為94.458%，O1s為5.542%；16號C1s為87.586%，O1s為12.414%；17號C1s為85.993%， O1s為14.007%；18號C1s A為72.893%，C1s C為6.09%，C1s D為7.087%， O1s為13.929%。

(二)高分辨率XPS圖譜分析

對樣品進行窄區掃描，獲得更精確的信息，如元素結合能，元素存在化學狀態。

由玻片10號C的譜圖可知，C含量很高，其組成比較復雜。C1s A信號結合能位于284.7eV，FWHM值為1.16eV；C1s B信號結合能位于285.78eV，FWHM值為1.1eV；C1s C結合能位于287.05eV，FWHM的值為1.57eV；C1s D信號結合能位于289.7eV，FWHM值為1.41eV。碳元素存在五個峰，依據不同官能團結合能，各個峰代表的化合物分別為：ScanA為C-C鍵化合物；ScanB為C=C鍵化合物；ScanC為C-O鍵化合物；ScanD為C=O鍵化合物。分析C1s圖譜可知，四種形態化合物，均為有機碳化合物，因此，碳在玻片表面以有機形態存在，各個形態含碳有機物相對百分比為58.41：23.301：7.101：4.543。

上述數據說明殘留物部分為燃燒后柴油蒸發附著玻璃表面，還有部分是柴油在空氣中燃燒后產物附著。柴油燃燒固態污染物有碳、金屬、無機氧化物、硫酸鹽及多環芳烴(PAH)和醛等碳氫化合物。玻片表面黑色油膩物質為固體微粒(PM)，是氣體中可見污染物，實驗過程冒出的黑煙。[3]這類物質附著玻片表面使火焰無法直接接觸玻片，一定程度上減少玻片受到火焰破壞。乙醇熱值為3×10^7焦耳/千克，柴油為4.29×10^7焦耳/千克，密度相近，柴油燃燒熱更高，但玻片沒炸裂，沒達到跟95酒精相近效果，因此，柴油燃燒產物起到阻燃隔熱作用。酒精燃燒火焰直接接觸玻片表面，酒精直接傷害更多。而棉燃燒產物為水，二氧化碳，一氧化碳和碳顆粒。與火焰接觸越長黑斑越少，由于在與火焰接觸過程，表面附著碳顆粒與空氣中氧氣反應生成二氧化碳，幾乎沒有阻燃隔熱作用。[4]

四、結論

本文采用不同燃燒物火焰加熱玻片，拍攝樣張觀察玻片表面特征及破裂形式，結合XPS檢測玻片表面附著物元素信息，得到以下結論：

(一)通過觀察拍攝樣張發現，不同燃燒物對玻璃有不同的破壞程度，其結果不僅取決于燃燒物燃燒熱，而且與燃燒產物阻燃性，玻片表面附著量有關。

(二)XPS分析后，能夠測到玻片表面具有C，O元素，對C元素進行高分辨率圖譜分析。柴油燃燒實驗中含碳有機物存在形式多為裂解碳(干煙灰)、未燃碳氫化合物、機油與柴油在燃燒時生成的硫酸鹽等；聚丙烯燃燒實驗中玻片上含碳有機物的存在形式多為有機酸、二氧化碳、一氧化碳、水和碳顆粒。

(三)結合文獻與本文分析結果，柴油燃燒產物附著玻片表面，緩解玻璃炸裂作用非常明顯，能夠一定程度起到阻燃隔熱作用。

(四)聚丙烯在燃燒過程中產生有機酸[5]，對玻璃破壞作用不僅是燃燒熱，還有甲酸、乙酸等酸性有機物的腐蝕作用。

[1]魏小琴，范鈺珍.玻璃破損痕跡的勘查與應用[J].湖北警官學院學報，2012,(4)：183-184.

[2]劉義祥，胡建國，李會榮.火災中窗玻璃熱炸裂痕跡形成機理的研究[J].消防科學與技術，2005，24(4)：430-432.

[3]張毅.火災場景中玻璃破裂行為研究綜述[J].災害學，2010，25：114.

[4]李建華等.普通窗玻璃熱破裂行為研究[J].火災科學，1999，8(3)：21-28.

[5]聶士斌.聚丙烯阻燃協效、成炭機理和新型膨脹阻燃體系的研究[D].中國科學技術大學，2010.

華北科技學院基金項目：不同濃度條件下瓦斯爆炸傳播致障效應實驗研究(3142017024)

陳昊馳(1993—)，男，漢族，江蘇人，碩士研究生，華北科技學院，研究方向：危險化學品安全技術。