典型阻燃材料火災毒性煙氣釋放規律研究進展

王霽，楊永斌

(1.中國人民警察大學防火工程學院，廊坊 065000; 2.中國人民警察大學涉外安保學院，廊坊 065000)

自20世紀60年代以來, 人們逐漸認識到為了減少火災的發生，必須對易燃和可燃材料進行阻燃處理，這使得阻燃材料得到異常迅速的發展。材料經過一定的阻燃處理之后，其引燃和火焰蔓延的難度均有所增加，熱釋放速率和總熱釋放量有所降低，因此為降低火災事故的發生以及小火轉變為大火起到了積極的作用。

對于火災造成的危害，主要體現在兩個方面：一是以熱釋放速率為表征的火災的熱危害；二是以火災煙氣毒性為表征的火災的非熱危害。且從火災死亡原因統計數據來看，火災中70%～80%的受害者是由于吸入有毒煙氣導致的，因此火災的非熱危害對人員的威脅更為嚴重。但是對材料進行阻燃處理并不是萬全之策，在較高的熱輻射或環境溫度下，阻燃材料仍然能夠發生燃燒，而此時火災可能已經處在發展的中后期，由燃料控制逐漸轉變為通風控制，氧氣供給不充分，加之阻燃材料本身所含阻燃劑的抑制作用，使得材料燃燒不完全，進而產生更多的不完全燃燒產物，如CO、HCN、氫鹵酸、丙烯醛等。這些氣體產物對火場中的人員產生窒息或刺激性作用，使其中毒，失去行為能力甚至死亡。

對于材料燃燒及熱分解時會產生有毒物質，人們早已有所認識并展開了廣泛而深入的研究。然而對于阻燃材料而言，大家關注更多的是材料阻燃后的熱性能，如引燃時間、蔓延速度、熱釋放速率、氧指數等等。隨著阻燃材料的廣泛應用，以及對大量火災統計數據的分析，阻燃材料的火災毒性問題逐漸引起了相關領域學者的重視，但從近期中外的相關研究和規范標準來看，各研究者的著眼點相對單一，多數僅針對一種阻燃材料以及特定的燃燒條件進行煙毒性分析，涉及的測試和評估方法也較單調，缺乏系統性和綜合性。為此，從材料的阻燃及阻燃材料的應用領域為切入點，總結分析了阻燃材料火災煙氣毒性的相關測試方法、影響因素、實驗及評估模型等研究結果，介紹了阻燃抑煙材料的開發情況，并提出了典型阻燃材料火災毒性煙氣釋放規律研究方面存在的有待進一步解決的問題和可行的方法，以期為科學、全面的評價材料的火災危險性提供研究參考。

1 材料的阻燃及應用

1.1 阻燃劑和材料阻燃方法

為了減少火災損失，提高人類環境安全水平，人們在選擇不同用途的材料時，阻燃已成為經常考慮的重要因素之一，材料的阻燃技術經過長期的發展也日臻完善和成熟。通常情況下，按使用方法的不同，阻燃劑可分為：添加型阻燃劑和反應型阻燃劑[1-2]。添加型阻燃劑主要是通過在可燃物中添加阻燃劑發揮阻燃劑的作用，反應型阻燃劑則是通過化學反應在高分子材料中引入阻燃基團，從而提高材料的阻燃性能，起到阻止材料被引燃和抑制火焰的傳播的目的。在這兩類阻燃劑中，添加型阻燃劑占主導地位，使用的范圍比較廣，約占阻燃劑的85%，反應型阻燃劑僅占15%。根據阻燃劑的成分組成，阻燃劑可分為鹵系阻燃劑(有機氯化物和有機溴化物)、磷系阻燃劑、氮系阻燃劑、硅系阻燃劑、硼系阻燃劑等[3]。雖然隨著阻燃劑行業的無溴化發展，中國的阻燃劑產品結構在不斷的調整，但相對于歐美等國家來說，中國的阻燃劑市場中溴系阻燃劑的比例還是偏高，現階段中國溴系阻燃劑應用比例約為40%[4-6]。

從阻燃機理來看，阻燃劑對材料的阻燃作用主要是通過以下3種途徑來實現的：一是凝聚相阻燃，指在凝聚相中通過延緩或中斷固相材料的分解和可燃性氣體的產生而達到阻止燃燒的目的；二是氣相阻燃，是指通過抑制燃燒反應鏈增長的自由基而發揮阻燃功能；三是中斷熱交換阻燃，是指將聚合物燃燒產生的部分熱量帶走而降低被阻燃材料的吸熱量，致使被阻燃材料不能維持熱分解溫度，不能持續提供燃燒賴以進行的可燃性氣體，于是燃燒自熄。

常見可燃物的阻燃處理通常依據材料本身的結構特點和阻燃性能的要求，具有多種不同的方法。如對木材的阻燃，包括深層處理(浸漬和浸注)、表面處理(使用阻燃涂料)、貼面處理、添加阻燃劑等[7]；對紡織品的阻燃處理，包括對織物的阻燃整理和對纖維的阻燃整理[8]；對塑料的阻燃主要通過以下方法處理，將阻燃性較差的與阻燃性較好的高聚物按適當比例進行共混，在高聚物中添加阻燃劑以及惰性的無機填料，在基礎聚合物上用阻燃性好的單體進行接枝共聚[9-11]。

1.2 阻燃材料的應用

隨著人們安全意識的提高，對材料的阻燃要求也逐漸得到重視，特別是國家強制性標準《公共場所阻燃制品及組件燃燒性能要求和標識》(GB 20286—2006)[12]頒布實施以來，阻燃產品的種類、場所涵蓋范圍均有所增加，阻燃材料的性能也更加規范。該規范中的公共場所不僅包括所有的人員密集的休閑娛樂等公眾聚集場所，而且還包括了商場、賓館、醫院、學校、車站、碼頭以及公共圖書館、展覽館和具有火災危險性的文物保護單位等公共場所，最大范圍地涵蓋了人員密集或可能密集的場所。另外，規范中阻燃制品和組件涵蓋的范圍也很廣，幾乎包括了此類場所可能涉及的所有可燃物，如裝飾墻布(氈)、窗簾、帷幕、裝飾包布(氈)、床罩和家具包布等織物；電線導管、燃氣導管、插座、開關、燈具、家電外殼等塑料和橡膠制品；座椅、沙發、床墊等軟墊家具中所用的泡沫塑料；床、床墊、接線柜、沙發、茶幾、桌、椅等家具/組件；光纖電纜、通信電線電纜和電力電線電纜[13]。但是從該標準規定的阻燃等級的劃分的判據來看，仍然以材料抵抗燃燒的能力為主要考查對象，此類場所可能會大量使用的阻燃家具及組件和塑料橡膠制品均沒有設置煙氣毒性的等級要求，雖然對阻燃織物、泡沫塑料和電線電纜這三類制品提出了煙氣毒性的等級要求，但要求并不嚴格，阻燃2級的毒性等級為ZA3級，阻燃1級的毒性等級為ZA2級，且測定方法依據《材料產煙毒性危險分級》(GB/T 20285—2006)[14]，使用的測定方法具有一定局限性，不能很好地模擬阻燃材料燃燒時的高溫、高輻射、低氧的環境條件，且試樣量較小，而煙氣的毒性具有累加性，當阻燃材料使用量較大時，仍然可能產生足夠濃度的有毒煙氣并使人受到傷害。

近年來，隨著交通工具火災的頻發，阻燃織物在交通領域的使用也越來越廣泛。《阻燃織物》(GB/T 17591—2006)也對交通工具內飾用織物的燃燒性能提出了具體要求，其阻燃等級分為 B1級和B2級，但分級標準中仍然沒有對煙氣毒性的要求[15]。

由此，阻燃材料的大量使用，雖然可以一定程度上減小火災發生的概率，但是由于片面強調了材料的熱危害，而對阻燃材料在大火情況下毒性產物釋放規律的研究還不夠深入，使得人們無法對阻燃材料使用場所進行科學、客觀、全面的安全評價，低估或錯誤判斷了火災造成的危害，尤其對公共場所而言，人員較密集，疏散困難，一旦發生較大火災，如果因阻燃材料燃燒而增加了毒性氣體的釋放量，必將造成更大的人員傷亡。

2 阻燃材料火災煙氣毒性相關研究

2.1 煙氣非熱危害的標準測試方法

煙氣的非熱危害往往體現在遮光性和毒性兩個方面，因而國內外對煙氣的測試和評價的標準方法也基本上圍繞著這兩個方面展開的。如關于煙氣的遮光性測定方面，《塑料.煙霧產生.第2部分：用單燃燒室試驗測定光密度》(ISO 5659-2—2017)、《飛機材料燃燒煙密度測試》(ASTME 662—2017)、《建筑材料燃燒或分解的煙密度試驗方法》(GB/T 8627—2007)都是通過使用煙密度箱，來對材料燃燒后的煙密度進行測定的標準方法。這些方法是通過測量材料燃燒產生的煙氣中固體塵埃對光的反射而造成光通量的損失來評價煙密度大小的，以最大煙密度值MSD和煙密度等級SDR兩個參數來對煙密度的大小進行評價。卜慶偉等[16]選取丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠、氟醚橡膠4種飛機典型密封材料作為研究對象，利用煙密度箱在熱輻射強度為25 kW/m2，對應溫度為 902 ℃的條件下，對這些材料的無焰發煙特性進行了研究，測試發現丁腈橡膠的最大煙密度值最大，為751.85，氟醚橡膠的最大煙密度值最小，為228.93，硅橡膠和氟橡膠居中，測試結果為飛機密封材料的選型提供了數據參考。另外，煙密度測試方法還適用于具有較大或顯著表面面積的產品，如墻面、地面材料等。

關于火災煙氣的毒性作用方面，測定過程中一般使用管式爐，通過控制爐內溫度和通風量來模擬不同火災場景[17]，產生的煙氣通入動物染毒箱，根據動物的反映情況來評價煙氣毒性的大小，但這種方法并不能從機理上解釋毒性氣體的成分和濃度，為了解決這個問題，可以將管式爐內的煙氣通入氣體分析儀，如傅里葉變換紅外光譜分析儀、氣相色譜儀等，可以定性定量的分析火災煙氣的成分和濃度，從而較好地解決了煙氣毒性評價中，煙氣制取和毒性定量評價這兩個難題。相關的標準方法有《穩態管式爐測試火災煙氣毒性》(ISO 19700)、《通風條件下材料熱分解產物及其毒物學檢驗》(DIN 53436)、《材料產煙毒性危險分級》(GB/T 20285)。應用這些方法進行測試時，由于石英舟/石英管的尺寸相對較小(直徑為36 mm)，被測試樣的質量也受到一定限制，一般在10～20 g。所以該類方法主要適用于一些體積相對較小的試樣，如小型塑料按鈕等，或者材質相對單一的材料或制品，如窗簾、卷簾、門窗密封條等。何瑾等利用標準靜態管式爐和動物暴露染毒法并與FTIR(Fourier transform infrared)煙氣成分分析儀聯用，對橡膠地板、窗簾、門窗密封條、管道、有機玻璃、阻燃泡沫6種城市軌道客車用內裝材料的產煙毒性進行了對比，測試過程中監測了丙烯醛、CO2、CO、甲醛、HBr、HCl、HCN、HF、NO、NO2、SO211種氣體的瞬時濃度。結果發現，橡膠地板、窗簾、管道、有機玻璃產煙毒性較小，均通過了ZA1級，而門窗密封條和阻燃泡沫產煙毒性較大，均未能通過ZA2級；成分分析法低估了門窗密封條和阻燃泡沫的毒性，高估了有機玻璃的毒性。因此提出了使用FED(fractional effective dose)值與動物暴露染毒相結合的方法對城軌客車內裝材料產煙毒性進行評價的建議[18]。

另外，一些主要用來測定材料燃燒放熱參數的實驗方法也可以同時測定煙氣的光密度和毒性氣體的產量，如錐形量熱儀[《對火反應試驗—熱釋放、產煙量及質量損失率》(ISO 5660)]、單體燃燒試驗[《建筑制品對火反應試驗—不含鋪地材料的建筑制品單體燃燒試驗》(EN 13823)、《建筑材料或制品的單體燃燒試驗》(GB/T 20284)]、全尺寸房間燃燒試驗[《全尺寸房間墻角火試驗》(ISO 9705)]等，但這些測試方法僅能對CO和CO2的產生情況進行測定，且實驗條件相對單一，無法模擬通風不良的火災場景[19]。以上三類測試方法中，錐形量熱儀法為小尺度實驗方法，試樣尺寸為10 cm×10 cm，因此適用于材質單一或均勻的材料及制品，張旭等利用錐形量熱儀研究了DAPCO 2200飛機指定火區密封膠的CO產生速率，結果表明：該密封膠的CO產生速率的峰值隨熱輻射強度的增加而增大，35 kW/m2時第一階段的CO產率峰值為 0.000 6 g/s，比飛機用普通硅橡膠降低了13.3倍，從而說明DAPCO 2200 密封膠危險性相對非常小[20]。單體燃燒試驗為中尺度實驗方法，適用于平板類的墻面敷設材料。全尺寸房間燃燒試驗則為大尺度實驗方法，可以對火場中的各種制品按照實際尺寸和擺放布置進行測試，測試結果更加符合火場的真實情況。劉萬福等利用全尺寸實驗裝置，對比研究了組合家具與單體家具燃燒的區別，結果發現，組合家具燃燒不同于單體家具，其燃燒過程中各個家具的燃燒相互影響相互促進，與火場情況更加貼近，因此燃燒結束后的痕跡分析可以為火災鑒定提供參考依據[21]。

2.1.3 UDPGA輔酶溶液 精密稱取UDPGA適量，臨用前用水溶解并定容，配制成濃度為5 mmol/L的UDPGA輔酶溶液。

以上各種不同的標準測試方法，由于測試原理、尺度以及對應的火災場景的不同，其測試結果之間往往也存在一定的差異。

2.2 煙氣毒性影響因素

材料燃燒過程中產生的煙氣成分受多種因素的影響，如材料組成和結構、燃料/空氣等值比、燃燒溫度、火焰區域氧濃度等[22-24]，而后三者綜合起來對應的正是火災場景的特征要素。如在通風良好的燃燒條件下，氧氣充足，生成完全燃燒產物CO2和H2O，在通風不良的燃燒條件下，由于氧氣供應不足，燃燒效率低，燃燒區域溫度也較低，不完全燃燒產物明顯增多。大量實驗數據表明，材料在通風不良情況下的有焰燃燒產生的煙氣毒性遠高于其他階段[25-27]。Jerzy等[28]研究了房間密封程度對燃燒毒性氣體產量的影響，實驗分別在兩個房間內進行，一個房間密封良好(實驗Ⅰ)，另一個房間的窗戶處于半開狀態(實驗Ⅱ)，經測試，距房間窗口約1 m的位置，不同毒性氣體的最高濃度及達到該值的時間如表1[28]所示，說明增加房間的密封性可能會增加火災時的環境毒性。

表1 兩次實驗條件下不同有毒氣體濃度的最大值及達到該值的時間[28]

無焰陰燃階段產生的煙氣毒性雖然更高，但是其燃燒速度很慢，因此綜合起來其火災危險性仍然低于通風不良的有焰燃燒階段。材料經過阻燃處理后，與普通可燃或易燃材料相比，更加難以被引燃，因此其燃燒時的環境條件與普通材料存在較大差異，可能是在燃燒的后期，即通風不良情況下的有焰燃燒階段發生燃燒，同時由于阻燃劑中所含的鹵、磷、氮等元素，均會增加火災煙氣的毒性[29]。因此，用于非阻燃材料火災煙氣的測試方法和釋放規律并不適用于阻燃材料，這為阻燃材料煙氣毒性的準確評價和客觀認識帶來了一定的困難。

2.3 普通材料火災煙氣毒性相關研究

材料火災煙氣的毒性早已引起了人們的關注，并取得了大量成果。Anna等[30]從火災煙氣的毒性作用、測試方法、評估方法、模擬技術、相關規范等方面，全面介紹了火災煙氣的毒性特點。Anna[31]還指出，雖然火災毒性導致的人員傷亡所占比例很大，但在該領域的相關研究遠遠不足，并從火災場景、不同毒性產物的毒性評估、小尺度與大尺度試驗、材料的阻燃等方面對火災毒性進行了綜述介紹。胡定煜[32]從火災煙氣毒害作用機理、評估方法、煙氣生成及相互作用、控制技術等方面介紹了火災煙氣的危害和控制。還有很多學者或者僅針對煙氣毒性，或者作為材料燃燒性能中的一個方面，對某些特定材料的火災煙氣毒性及機理進行了廣泛的研究和分析。Anna等[33]使用穩態管式爐，通過控制爐溫和通氣量，分別模擬試樣在陰燃和有焰燃燒(氧氣充足和不充足)的火災場景，研究了6種建筑保溫材料的煙氣毒性情況，實驗發現，各材料煙氣毒性順序由小到大依次為石棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫、聚氨酯泡沫、聚異氰酸酯泡沫。葛欣國等[34]分別利用極限氧指數、垂直燃燒性能、材料燃燒總熱值及微型量熱測試，熱重紅外聯用(thermogravimetric-Fourier transform infra-red，TG-FTIR)分析，小白鼠動物染毒試驗，系統對比研究了模塑聚苯乙烯泡沫(EPS)、硬質聚氨酯泡沫(PUF)及酚醛泡沫(PF)3種常見有機保溫材料的燃燒性能、熱穩定性、氣相分解產物及產煙毒性，測試發現EPS燃燒時釋放的熱量最大，但其煙氣毒性等級為ZA1級，而PUF和PF均為WX級。Robert等[35]根據ISO 9705中的實驗室尺寸，搭建了帶走廊的全尺寸封閉實驗室，模擬通風不良時的火災場景，對4種普通高分子材料(低密度聚乙烯、有機玻璃、聚苯乙烯、尼龍6.6)的燃燒煙氣毒性進行了測定，發現CO產量為0.1～0.25 g/g，PA6.6的HCN產量為0.01～0.02 g/g，并指出小尺度實驗測得的同類材料的煙氣結果，如穩態管式爐和火焰蔓延儀，與該全尺度測試結果的吻合性較好。Amandine等[36]利用火焰蔓延儀實驗測定了真實火災場景下鋰離子電池燃燒時毒性氣體的釋放情況，指出毒性氣體的臨界值與電池電解質的種類(LiPF6主要毒性氣體產物為HF，LiFSI為HF和SO2)和充電量有關。邵龍慶等[37]依據《材料產煙毒性危險分級》(GB/T 20285—2006)，對強化木地板、聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)板材和腈綸窗簾這三種常用室內裝潢材料進行了燃燒煙氣毒性測試，結果發現腈綸窗簾的毒性是 PVC 板材的1.9倍，PVC板材是強化木地板的3.1倍，強化木地板為ZA2級、PVC板材為ZA3級，腈綸窗簾屬為WX級。康茹雪[38]通過改變輻射熱流密度和環境壓力對黑色丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)的著火行為和毒性氣體釋放進行了實驗研究，對不同環境壓力下CO的釋放特性進行了分析，并對其毒性進行了評價，揭示了濃度和人員的暴露時間和失能情況的關系，熱解過程中材料的著火會影響環境中的CO濃度，在30～50 kW/m2熱流密度下，實驗艙內的CO體積濃度與環境壓力成反比關系。由于電纜往往敷設在較為封閉的空間，燃燒時氧氣供給不足，且某些電纜所含的可燃材料本身就含有鹵素，使得電纜在火災中釋放的煙氣的毒性也較普通材料大，因而相關研究也較多[39-41]。Richard等[42]對電纜產煙量的大尺度和小尺度實驗結果進行了對比分析，發現兩者相關性較強，小尺度實驗結果可以較好地反映電纜火災的真實情況。Benjamin等[43]對不同類型的汽車燃燒時釋放的毒性煙氣進行了全尺寸實驗研究，指出汽車燃燒時會產生多種毒性氣體，且主要是酸性氣體，并建議在對排煙系統進行設計時，最好以實際試驗結果為參考依據，而不是規范中規定的不變參數值。何瑾等[44]對城市軌道客車內裝材料的煙氣毒性進行了較全面的測試和分析，指出城軌客車內裝材料燃燒煙氣中主要含有CO、CO2、HCN、NOx、HCl，測試的10種城軌客車內裝材料CIT(conventional index of toxicity)值均較低，都通過了《鐵路車輛的防火保護—第2部分：材料和元件的防火要求》(EN 45545-2)煙氣毒性測試；使用NBS產煙箱獲得的燃燒煙氣濃度幾乎達到FTIR的檢測下限，可能會導致測試數據誤差較大，使用FED值與動物暴露染毒相結合的方法，對城軌客車內裝材料產煙毒性進行評價更為科學[18,44]。馬曉東等[45]從環境污染的角度指出了在防火及阻燃材料的質量檢驗過程中會產生大量含揮發性有機物(VOCs)的煙氣，并結合實際工程應用經驗，針對性地提出了該類廢氣的綜合治理工藝。劉秀秀等[46]對某泡沫滅火劑和某S型氣溶膠滅火劑在封閉空間滅火中產生的煙氣成分及濃度進行了實測，并對煙氣的成分及其毒性進行了分析結果表明，這兩種滅火劑在封閉空間滅火中的煙氣對人員是安全的。

2.4 阻燃材料火災煙氣毒性相關研究

關于阻燃材料燃燒過程中煙氣毒性方面的研究，Sean等[47-48]對比分析了對家具阻燃具有嚴格要求的英國和沒有阻燃要求的新西蘭，在近幾十年內每10萬人火災死亡人數的情況，發現英國的死亡人數并沒有比新西蘭明顯降低，而在對不同阻燃情況的軟墊類家具進行測試后，指出經過阻燃處理的沙發床難于引燃，但燃燒時釋放的CO和HCN顯著高于未阻燃的沙發床，并認為通過對材料進行阻燃來降低火災死亡人數的方法是有問題的，這一結論雖然引起了一些學者和阻燃材料廠商的異議，但仍然提醒大家要重視材料阻燃后煙氣毒性帶來的更大的傷害。Shirley等[49]研究了氣相阻燃劑對脂肪族聚酰胺產煙毒性的影響，結果發現含磷阻燃劑的材料燃燒時CO和HCN的增加量遠低于含銻-溴阻燃劑的增加量，測試后認為CO和HCN在火焰早期形成，且OH自由基對這兩種氣體的破壞具有關鍵性作用，磷阻燃劑在降低H、O自由基的濃度時，并不會使OH自由基減少，而溴阻燃劑則會同時使3種自由基的濃度降低。另外，磷阻燃劑在較低溫度即火焰形成初期就會產生抑制作用，因而不會明顯提高CO和HCN的產量。Zhang等[50]利用穩態管式爐研究了膨脹阻燃劑和碳納米管對聚丙烯(PP)燃燒煙氣毒性的影響，發現無論是膨脹阻燃劑還是碳納米管的填加，都會使PP燃燒時CO的濃度顯著增加，且隨著燃燒等值比的變化，碳納米管對PP燃燒時生成的煙氣量和CxHy的濃度的影響也將發生變化，此外，其還對PP/Metal Oxides(MOs)納米復合材料的煙氣毒性進行了測試和分析，結果發現MOs在PP燃燒過程中發揮出了較為明顯的催化氧化作用，有效地降低了煙密度和可燃性碳氫化合物氣體，其中除Co3O4提高了CO釋放外，另3種MOs都對CO有一定的程度的催化氧化。TNT在低添加量條件下對復合材料的抑煙減毒效果最佳[17]。任小男[51]對ABS及ABS/MMT(montmorillonite)和ABS/CNT(carbon nanotube)納米復合材料進行了不同溫度和通風條件下的穩態管式爐實驗，發現在通風良好625 ℃時，MMT和CNT的加入會降低CO的產量，其他情況下，使用納米添加劑對火災有毒氣體產量的影響不大，特別是對于危險性較大的通風不良的火災階段。韓崢等[52]對不同阻燃程度有機玻璃鋼的火災危險性進行了測試分析，發現鹵素阻燃劑可能增大材料的產煙量，阻燃玻璃鋼燃燒時CO氣體濃度有明顯的降低，而HBr氣體濃度卻增大了。趙冰冰[53]對常見紡織纖維熱分解煙氣產物進行了研究，結果發現，過阻燃整理的各織物的燃燒和裂解產物種類沒有發生大的變化，含硼和含硅阻燃棉織物都起到一定的抑煙效果，但含氮磷阻燃棉產煙量增加，阻燃滌綸和阻燃羊毛織物相對其各自未阻燃物的產煙量都有所增加。王靜等[54]在分析鹵系阻燃材料阻燃機理的基礎上，指出其煙氣毒性較大，探討了國內外在該領域中常見的一些毒性評估和實驗方法，并闡明了阻燃材料煙氣毒性研究領域今后的發展方向。王真[55]以錐形量熱儀模擬火災環境，結合氣質聯用儀、離子色譜儀、紫外可見分光光度計等手段，研究了3種木質材料不同燃燒條件下的發煙規律及煙氣成分，探討了阻燃氨基樹脂對木質材料煙毒性的影響，測試發現阻燃木材無論在無機氣體、有機氣體還是顆粒物方面均較未阻燃的高。

2.5 材料火災煙氣毒性評估模型

火災煙氣毒性評估是火災預防工作的一項重要內容，火災煙氣毒性定量評價是毒理學研究的一個新興領域。常見的煙氣毒性定量評價方法有N-Gas模型、FED(fractional effective dose)模型、TGAS(toxic gas assessment software)模型、HTV模型等[56]。也有很多學者對現有模型進行了改進和優化。Nam等[57]通過動物暴露染毒實驗指出，燃燒產物中除了毒性氣體之外，煙霧中的顆粒物也應該被考慮進來，且顆粒物尺寸的大小與其毒性危害的大小是相關的。Paul等[58]經過分析認為，燃燒產物中不同的氮的氧化物的毒性大小是有差異的，而在FED模型中，將所有氮的氧化物均按照NO2來計算，因此使用FED模型進行毒性定量評價時，需要區分不同氮的氧化物來分別計算。Richard等[59]以SBI(single burning item)實驗結果為基礎，提出了最大安全載荷的概念，即每100 m3空間中，可燃材料完全燃燒后產物毒性為安全情況下的材料最大面積，以此代替以質量損失為參考標準的半致死濃度LC50，更方便建筑設計及安全工程人員對建筑火災安全性的評價。Daniel等[60]對火場中死者的血液進行檢測，并認為血液中的碳氧血紅蛋白并不能作為生命體征的標志性參數，而HCN濃度可以作為生命體征參數，且可以對致毒機理進行解釋。李山嶺等[61]針對以往煙氣毒性定量評價方法N-Gas和FED模型的不足，提出了一種新的火災煙氣危害性定量評價模型THVCH(toxicity，heat and visibility comprehensive harmfulness)，該模型在考慮煙氣毒性的同時兼顧了能見度對人員暴露時間的影響以及高溫輻射對人體的傷害，使得評價結果更加全面客觀。陳鑫宏等[62]也提出了類似的綜合模型，并通過實驗和計算認為火災前期能見度是影響人員疏散的重要因素，后期熱輻射和毒性權重上升，人員最佳疏散時間為90～320 s。顧彩虹[63]通過修改場模擬軟件的源代碼，引入EDC(eddy-dissipation concept)模型的模擬計算，獲得了包括CO、CO2、O2、HCN的多組分火災煙氣濃度的時空分布，采用N-Gas模型評價的含有HCN氣體的沙發作坊火災煙氣綜合毒性評價結果與實際情況相符合，且HCN氣體對于多組分煙氣的耦合毒性的影響不可忽略，有時甚至起著至關重要的作用。陳亞鋒[64]提出了一種基于火災中有毒煙氣對人員傷害累積效應的建筑排煙系統效能評估方法，分析計算結果表明，該評估方法從人員受傷害的累積效應角度，以定量的方式比較排煙 系統的排煙效能，為建立多技術協同作用下的火災煙氣控制效能評估模型與優化設計方案提供了參考。Hamid等[65]提出了一種融合模糊危害與可操作性技術、蟻群系統和模糊集理論的綜合評價方法，來評估工業生產中涉及火災、爆炸和有毒物質釋放的耦合風險水平，為此類場所的定量安全評價提供了理論計算方法。

2.6 阻燃抑煙材料的開發

材料經過阻燃處理后，在提高其阻燃性能的同時，降低其火災煙氣毒性及產量也是阻燃劑開發的新方向。宋翔宇[66]從阻燃和抑煙減毒兩個方面出發，采用納米技術，使用膨脹石墨多孔材料為載體負載納米氧化銅顆粒，再與聚磷酸銨協同阻燃環氧樹脂，制備了高阻燃性低煙氣毒性的環氧樹脂材料，并提出了一種能夠同時提高環氧樹脂的阻燃性并降低煙氣毒性的制備方法。馬礪等[67]將阻燃劑三氧化二銻及羥基錫酸鋅添加至PVC復合材料中，并研究其阻燃抑煙性能，發現當總添加量(質量分數)為12%，且質量比為1∶2時，煙釋放速率峰值與總煙釋放量分別下降了46.7%和10.4%。常唯淑[68]利用硼酸制得了改性的可膨脹石墨和氧化石墨，并對線性低密度聚乙烯和硬質聚氨酯泡沫進行了阻燃處理，測試發現阻燃后的材料不僅熱釋放速率有所降低，煙釋放速率、CO和CO2的釋放抑制作用也明顯增強。

3 阻燃材料火災煙氣毒性未來研究方向

分析現有研究成果可以發現，阻燃材料火災煙氣毒性問題已經引起了人們的關注，但仍存在一些亟需解決的重點難點問題：從測試條件上看，現有的大多數測試方法與實際火災場景相差較大，測試結果僅用于材料自身的煙氣毒性評價或不同材料間的對比，而不能直接表征其在火災中的真實對火反應行為；從研究的材料和阻燃劑種類來看，大多比較分散和單一，不夠系統，即便是同一種材料，不同的實驗條件、不同的生產批號或廠家，測試結果也會有顯著的區別；從研究的理論深度上來看，對阻燃材料火災煙氣的釋放規律和內在機理尚需進行深入全面的研究，從理論上分析阻燃材料火災煙氣的毒性特點；缺乏科學的針對阻燃材料火災安全的評估方法，單就煙氣毒性的評估方法而言，測試動物與人類反映之間的關聯性還需進一步確認，另外從評估方法的綜合性而言，需要同時兼顧材料的熱危害和非熱危害兩個方面，提出更加全面、可靠的評估方法和模型。因此，認為在阻燃材料未來的研究過程中需要解決以下問題。

(1)探究公共場所常用阻燃材料燃燒毒性煙氣的釋放規律。現階段公共場所大量使用阻燃材料，而阻燃材料與普通材料，以及不同材料常用的阻燃技術和阻燃劑往往存在較大差別，致使其在燃燒時產生的毒性煙氣的組成和濃度也有所不同。系統研究分析公共場所常用阻燃材料燃燒毒性煙氣的釋放規律，為科學認識阻燃材料的火災安全性，提高公共場所火災安全水平，具有非常重要的意義。

(2)建立與阻燃材料燃燒時的火災場景相符合的測試技術。對于評價材料燃燒性能的現有測試方法和標準，大多是針對普通材料而言的，或者重點考查的是材料的引燃和熱量釋放能力，而阻燃材料燃燒時的火場條件與普通材料完全不同，溫度更高、氧濃度更低，因此需要建立與阻燃材料燃燒時相匹配的火災條件，以提高測試結果的準確性。

(3)在進一步完善評估模型的基礎上，確立便于使用和操作的公共場所阻燃材料煙氣毒性預測評估方法。現有材料煙氣毒性評價方法使用的是單一的材料、單一的評價時間段，且未考慮建筑的容積等問題，因此，確立便于使用和操作的公共場所阻燃材料煙氣毒性預測評估方法，為此類建筑的設計師、安全工程師等人員準確進行火災安全設計和評價具有重要的指導作用。

4 結論與展望

對可燃材料進行阻燃處理可以有效降低其燃燒中的熱危害，但阻燃材料燃燒時由于燃燒環境中氧濃度較低以及阻燃添加劑的影響，使其燃燒產物的毒性可能會比未阻燃的材料大，因此典型阻燃材料燃燒煙氣毒性方面的研究得到了廣泛的關注。本文對常見的阻燃劑、阻燃方法和阻燃材料的使用環境進行了梳理，并從標準測試方法、實驗研究和模型研究等多個角度，對典型阻燃材料煙氣毒性相關的研究進行了綜述。并指出未來可以從測試條件的真實性、材料種類的系統性、理論分析的科學性和評估方法的可靠性等幾個方面進行深入廣泛的研究，進而從整體上提高材料的火災安全性能，確保人民生命財產安全。