基于錐形量熱儀法紡織品燃燒特性應用研究

鄧道養+倪冰選+鄭錦維+陳瓊娟

摘要

本文概述了紡織品傳統燃燒性能的測試方法及標準、表征指標以及在燃燒火災危險性評估中的局限性，重點詳述了錐形量熱儀法的測量原理、燃燒特性表征，對錐形量熱儀法在紡織品燃燒特性測試評價中的應用發展進行研究。

關鍵詞：錐形量熱儀；熱釋放速率；紡織品；燃燒特性；總生煙量

1 引言

目前，紡織品傳統燃燒性能試驗方法及標準主要集中在測試紡織品的易點燃性以及點燃以后燃燒的速度、樣品的破壞程度等，屬于小型試驗，其試驗環境與真實火災相差較大，試驗獲得數據不能很好表征其在火災中所能造成的危險性，不能作為評價紡織品在真實火災中燃燒的依據，更不能反映人體在火災中由于紡織品燃燒受到的傷害，如熱浪傷害（熱釋放）、煙氣使人窒息（煙氣釋放）、中毒（煙氣毒性）等，不能反映在實際火災中由于紡織品的燃燒所造成的對環境的損害[1]。

為了真實客觀地評價火災中材料的燃燒特性，1982年Babrauskas等人開發設計了錐形量熱儀（Cone Calorimeter，簡稱CONE）。在錐形量熱儀試驗中，材料的燃燒環境與真實火災環境相似，其試驗數據與大型燃燒試驗結果之間存在很好的相關性，在表征紡織品的燃燒特性、評價紡織品存在的火災危險性方面具有重要意義[2]。錐形量熱儀基于氧氣消耗原理進行設計，用來測量紡織品燃燒時的熱釋放速率、引燃時間、質量損失速率、有效燃燒熱、煙氣釋放速率、有害氣體含量等，這些參數對于分析紡織品的綜合燃燒特性，客觀評價預測紡織品在真實火災中的燃燒行為和危害十分有用[3]。錐形量熱儀是表征紡織品火災環境燃燒特性的較為理想的試驗儀器。

2 傳統燃燒測試方法

2.1 表征指標

目前，紡織品的傳統燃燒性能測試方法主要包括45°法、垂直法、水平法、燃燒片劑法、氧指數法等。表征指標主要包括：引燃時間、續燃時間、陰燃時間、火焰蔓延時間、損毀長度、火焰蔓延距離、火焰蔓延速率、燃燒速度、極限氧指數等，這些指標主要反映了紡織品在試驗條件下燃燒的快慢程度、樣品的損壞程度、容易被火焰點燃的程度等。

2.2 局限性

燃燒試驗涉及到環境、熱量、氧氣等多種因素，且這些因素在真實火災中是動態的，因此燃燒試驗非常復雜。紡織品傳統燃燒性能試驗方法所獲得的試驗數據具有一定局限性，不能模擬紡織品在真實火災中的燃燒行為，不能用于評估大型火災火情危險性及可能造成的哪種危害，只能用于一定試驗條件下，比較不同紡織材料及其制品的阻燃性能。

3 錐形量熱儀法

3.1 錐形量熱儀

錐形量熱儀是20世紀80年代初發展起來的一種燃燒測試裝置，能模擬真實燃燒時的各種參數，可以測量材料燃燒時的熱釋放速率。此外，它還可以測量紡織品的點燃時間、質量損失速率、煙氣釋放速率、有效燃燒熱、有害氣體含量等參數，這些表征指標可以綜合評價紡織品的燃燒特性。

一種典型的錐形量熱儀結構示意圖如圖1所示，主要結構包括：1-儀器箱體；2-圓柱狀過濾器；3-氣體流量計；4-調速裝置；5-變速電動機；6-鼓風機；7-排煙管；8-測壓端口；9-測溫熱電偶；10-樣品氣取樣環；11-煙塵過濾管；12-按鈕開關控制面板；13-吸煙管道；14-引風罩；15-防護罩；16-激光測煙系統；17-樣品氣過濾系統；18-溫度控制調節器；19-錐形電加熱器；20-樣品燃燒盒；21-稱重傳感器；22-遠程控制手柄；23-氧氣分析儀；24-氣體流速控制板；25-制冷裝置；26-隔熱板轉動手柄；27-甲烷燃燒器；28-電子脈沖點火器；29-真空泵。

當紡織品在錐形電加熱器的熱輻射下燃燒時會消耗掉空氣中一定濃度的氧氣，通過檢測燃燒過程中消耗的氧氣量、產生的煙氣及光通路情況，可獲得樣品燃燒產生的熱釋放、煙氣釋放等數據，可以對燃燒的煙氣進行收集，分析煙氣中的有害物質，評估煙氣毒性。目前采用錐形量熱儀法的試驗標準包括美國材料試驗協會標準ASTM E1354- 2010 《使用耗氧量熱計測試材料和產品的熱和可見煙釋放速率的方法》和國際標準ISO 5660-1：2002《對火的反應試驗 熱釋放率、發煙率和質量損失率 第1部分 熱釋放率（錐形量熱計法）》等。

3.2 表征指標

紡織品通過錐形量熱儀試驗，可以得到的燃燒數據主要包括熱量釋放指標、煙氣釋放指標、毒害物質指標、引燃時間等，這些試驗數據在紡織品阻燃性能研究評價以及紡織品所造成的火災危險性方面應用廣泛，具有重要意義。

3.2.1 熱釋放性指標

紡織品從燃燒開始就釋放出熱量，同時氣相、液相和固相物質等的溫度升高，燃燒持續，在這一階段，最重要的是材料的燃燒熱量釋放，一般來說，紡織品燃燒時釋放的熱量越多，熱量釋放速度越快，火災的危險性越大[3]。

常用的熱釋放性表征指標主要包括熱釋放速率、有效燃燒熱、總釋放熱量[4]。紡織品的熱釋放速率（HRR）是指在設定的入射熱流強度下，單位面積紡織品燃燒所釋放熱量的速率，其最大值為熱釋放速率峰值（pkHRR），表征的是紡織品燃燒過程中的最大熱釋放程度。HRR和pkHRR越大，紡織品燃燒時釋放的熱量越大，造成的火災危險程度就越高。采用錐形量熱儀還可以測量出紡織品在燃燒過程中的熱釋放速率隨時間的動態變化。而總釋放熱是指在設定的入射熱流強度下，紡織品從點燃到火焰熄滅為止所釋放熱量的總和。有效燃燒熱表示在燃燒過程中的某個時刻，熱釋放速率和質量損失速率之比，反映的是燃燒中揮發性氣體在火焰中的燃燒程度，可用于分析阻燃紡織品的阻燃機理。

3.2.2 煙氣釋放指標

煙氣釋放指標主要包括生煙速率和總生煙量等。錐形量熱儀采用比消光面積來表示紡織品燃燒時的煙氣釋放。一般火災煙氣中顆粒物直徑為幾個微米到幾十個微米，而可見光波長在0.4～0.7微米，煙氣顆粒物對可見光有遮蔽作用，煙氣的釋放會大大降低火災現場的能見度，使人們產生恐慌心理，不能合理逃離火場，增大了火災的危險性。

3.2.3 毒害物質

根據各類火災資料統計，紡織品燃燒產生的煙霧毒害物質，其危害性常比燃燒時產生的火焰和熱量更為嚴重，是火災中導致人類死亡的主要因素之一[5]。錐形量熱儀可以采用附加設備采集煙氣進行毒害物質分析。紡織品燃燒時釋放出的煙氣中，含有一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、各種氮氧化物、含碳無機物等毒害物質，這些氣體一旦被人體吸入，危害極大。

3.2.4 其他指標

其他指標包括質量損失速率、引燃時間等。其中質量損失速率是紡織品在燃燒過程中質量隨時間的變化率，主要反映樣品在一定輻射熱流強度下熱裂解速度，同時可以得到樣品的質量損失曲線，了解不同時刻樣品的殘余物質量，用于材料裂解行為分析。引燃時間則是在設定的輻射熱流強度下，紡織品表面受熱到出現火焰燃燒所用時間，用于表征紡織品容易被點燃的程度。

4 研究進展

在紡織品阻燃整理表征評價方面，朱平等[3]利用錐形量熱儀對阻燃及未阻燃棉織物的熱釋放速率、有效燃燒熱、CO/CO2比及殘渣量進行分析。結果表明：對比未阻燃織物，阻燃織物的熱釋放速率和燃燒的有效熱大大降低，CO/CO2比及燃燒后的殘渣量有很大提高。紡織品的熱釋放速率數值大小是評判著火危險性的主要依據，對于阻燃整理紡織品，阻燃劑的引入可以大大降低紡織品的熱釋放速率，達到減緩燃燒過程、降低燃燒危險性的目的。

王曉春等[6]利用錐形量熱儀法研究阻燃整理前后滌棉混紡織物的熱釋放性能、煙氣釋放性能及其毒性的變化。王然等[7]采用錐形量熱儀研究了普通棉、毛、滌綸織物和含磷類阻燃棉、滌綸織物以及阻燃羊毛織物燃燒過程中一氧化碳（CO）的釋放情況。

在紡織品火災危險性評估及模型研究方面，郭大為等[8]研究了使用錐形量熱儀測量獲得的試驗數據來預測垂直表面火災向上傳播的情況，并提出更為適宜的模擬試驗程序，建立了兩個火焰傳播的模型來預測全規?；馂哪Ｐ汀?/p>

舒中俊等[9]以錐形量熱儀試驗數據為基礎，推導出了火勢增長指數（FGI）、放熱指數（THRI6min）、發煙指數（TSPI6min）和毒性氣體生成速率指數（ToxGI）4個評價高分子聚合物材料火災危險的參數，并利用這4個參數對16種樣品的火災危險性逐項進行了分析評價，采用層次分析法原理對樣品的火災危險性進行了綜合評價。徐亮等[10]根據錐形量熱儀中熱輻射均勻分布的特性，從一維熱傳導方程出發，應用簡化的邊界條件，推導了無量綱化的傳熱方程，通過數值模擬的方法計算得到無量綱點燃時間，利用冪指數線性擬合的方法得到了熱薄型、熱中型和熱厚型材料的點燃時間公式，通過無量綱熱輻射通量給出了各預測公式的適用范圍。

為了查明床上火災事故發生的深層次原因以及火災發展蔓延的過程，童華偉等[11]用錐形量熱計測試棉樣品的質量損失速率、熱釋放速率、CO濃度等重要數據，通過數據分析，得出棉制品的燃燒特性，對床上火災事故過程分析和原因調查起到指導作用。

在采用錐形量熱儀法進行紡織品燃燒性能試驗參數影響研究方面，王然等[12]研究了格柵對錐形量熱儀最大熱釋放速率的影響。高萍等[13]利用錐形量熱儀研究了幾種鋪地材料的熱釋放速率、點燃時間、總釋放熱、總生煙量等燃燒性能與臨界熱輻射通量之間的關系。劉向峰等[14]研究了采用錐形量熱儀法的熱釋放速率的計算公式，并討論了公式中的主要參數對高分子材料熱釋放速率的影響以及相應校正方法。

羅勝利等[15]采用錐形量熱儀測量紡織品燃燒和過程熱釋放及煙釋放性能，研究輻射熱流強度對纖維材料燃燒行為的影響以及不同纖維原料的產品在相同輻射強度條件下的燃燒行為。

5 結語

基于錐形量熱儀法表征測試紡織品的燃燒特性，可以從點燃性能、熱釋放速率、總釋放熱、單位時間生煙量、總生煙量、煙氣毒性分析等方面進行分析，試驗數據可用于紡織品阻燃整理測試表征和評價，進行紡織品阻燃整理機理研究；可用于評估紡織品造成的火災危害程度。加強錐形量熱儀試驗方法在紡織品燃燒特性的應用研究，可以進一步完善紡織品燃燒性能的測試表征手段。錐形量熱儀法在紡織品阻燃整理機理、燃燒危險性等級、燃燒類型研究等方面具有重要意義。

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