含水率及燃烧性能等级对中密度纤维板点燃行为及安全性能影响的研究

杨 栋，张少刚，侯亚楠

（1.新疆乌鲁木齐市公安消防支队，乌鲁木齐，830002；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）

0 引言

人造纤维板材由于结构均匀、尺寸稳定性好等特点，在现代建筑行业得到了广泛应用［1，2］。与此同时，纤维板的大量应用给各类建筑、尤其是公众聚集场所带来了巨大火灾威胁。近年来多起重特大火灾事故均已表明，建筑内使用的大量人造板材是造成火灾快速蔓延和室内发生“轰燃”的主要原因之一［3］。

为了降低纤维板的火灾危险性，目前主要通过在生产过程中加入阻燃剂的方法来提高其燃烧性能等级。阻燃剂类型和用量的不同将导致燃烧行为不同。同时，由于地域和气候的差异使得板材的含水率亦不相同，这也将影响纤维板的燃烧过程。为准确预测纤维板在火灾中的燃烧行为，建立相应的风险评价体系并制定防范措施，必须对不同燃烧性能等级和含水率纤维板的燃烧特性进行研究。当前，对于木质材料燃烧特性的研究主要集中在天然木材上［4－6］，对人造板材特别是纤维板的研究较少。国际上，仅有李开源［7－9］针对中 密度纤维板在热物性［7］、炭化行为［8］和热解动力学参数［9］开展了一系列深入的研究，但其研究并未涉及纤维板的点燃行为，缺乏点燃时间和临界辐射热通量等相关参数。

本文利用锥形量热仪，对河南森远科技有限公司生产的三种不同燃烧性能等级的中密度纤维板进行辐射点燃实验，记录点燃时间和燃烧热释放速率值。通过对实验数据进行分析，根据热厚型辐射点燃模型计算不同含水率条件下的临界辐射热通量。其中两类经阻燃处理的样品，经国家固定灭火系统或耐火构件质量监督检验中心按照燃烧性能分级实验方法（GB 8624－2012）检验，分别达到了B级和C级的等级，故命名为B级板和C级板；还有一类板材未经阻燃处理，命名为非阻燃板。B级板和C级板的阻燃处理过程中所采用的阻燃剂为磷氮系复合阻燃剂。

1 研究方法

1.1 样品处理与试验方法

本实验所用的纤维板样品尺寸均为100mm×100mm×9mm（长×宽×厚），环境温度为25±5℃。样品在相对湿度为0%、50%、98%的恒温恒湿箱分别经过48小时和60小时的预处理后发现其质量几乎不变，即含水率达到平衡状态。取出称量，测得在相对湿度为0%、50%、98%的环境下，纤维板的含水率分别为0、5%～5.6%（均值5.3%）、10%～15%（均值12.5%）。

在锥量实验中，将纤维板样品用锡箔纸包裹，仅暴露上表面，置于高绝热性的高铝陶瓷纤维制成的样品架内，如图1所示，使得整个装置为样品提供良好的绝热环境。本文判定临界点燃时间：加热300秒内被电火花引燃的时间为点燃时间，超过300秒则认为不燃，热辐射通量小于临界辐射热通量。电火花位于材料上表面13mm高度位置。实验采用的热辐射强度主要有25kW／m2，30kW／m2，40kW／m2，50kW／m2，60kW／m2，对每组热辐射强度进行3次重复实验，点燃时间取平均值。在此基础上，在低辐射强度（14kW／m2和16kW／m2）进行了三组验证实验，用以验证理论计算的有效性。

图1 纤维板样品和高铝陶瓷纤维样品架Fig.1 The sample of fiberboard and the aluminum－silicon ceramic fiber specimen holder

1.2 临界辐射热通量与点燃时间关系模型

Mikkola和 Wichman［10］根据固体可燃物在受到外界热辐射时内部的热传导状况的不同，提出了热厚型辐射点燃模型。

式中，t点燃为点燃时间，s；κ为导热系数，kW／m／K；ρ为密度，kg／m3；c为材料热容，kJ／kg／K；q0为初始外部热流，kW／m2；T点燃和T0分别为点燃温度和环境温度，K。

Delichatsios［11］在此基础上，根据外加辐射热流的大小对模型进行修正，提出了修正模型：

为求得m值，令t点燃趋于无穷大，则有：q0＝mq临界

得到：

Delichatsios给出的m值为0.64，并通过实验证实m的引入可以有效解决实验辐射强度过度高于临界辐射强度（3倍以上）的问题，对热厚型材料具有非常好的适应性。

进而，令：

式中：π为圆周率；q0和T点燃为物体点燃时刻所受的外加辐射通量和点燃温度；T0为物体初始温度或环境温度。

2 实验结果与分析

2.1 点燃时间

实验得到了不同湿度环境下，B级、C级及非阻燃纤维板，在不同热辐射强度下的平均点燃时间，如表1所示。对比表1中相同环境湿度下不同燃烧性能等级纤维板的点燃时间，可以发现点燃时间随燃烧性能等级的增加而增加。通过计算发现，点燃时间从非阻燃板到C级板增加了4%－8%，而从C级板到B级板增加了5%－17%。这一结果充分说明了阻燃处理的效果，添加了阻燃剂的板材，在相同的外加辐射条件下，需要积蓄比未进行阻燃处理的板材更多的热量，产生更多的热解产物，才能够被点燃。

在相同的外加辐射通量下，不同环境湿度下处理过的同种阻燃级别纤维板的点燃时间会随着含水率的增大而迅速增大。含水率均值在5.3%样品的点燃时间比含水率为0%的干燥纤维板平均增长了35%左右；含水率均值在12.5%的纤维板相比于干燥纤维板，点燃时间平均延长了超过2倍（200%），相比含水率为5.3%的纤维板，点燃时间也延长了65%以上。可以看出，纤维板材含水越多，在受到外界辐射热流时，板内水分的吸热挥发过程也就相应的越长，挥发的水蒸汽在一定程度上稀释了板材热解产生的可燃气体的浓度，使得纤维板材的点燃时间延长。这与Spearpoint［12］的天然木材实验所得到的结论是一致的。

表1 不同辐射强度下纤维板的平均点燃时间Table 1 The average of ignition time of fiberboard under different external heat fluxes

1.2 临界辐射通量

临界辐射通量是能够引燃材料的外加最小辐射热流，低于该值则材料不能被点燃。根据热厚型辐射点燃时间模型可知，点燃时间倒数的平方根与外加辐射强度成正比关系，做出二者之间的关系图，对实验数据进行线性拟合，如图2所示，采用外推法得到横轴截距，结合公式（3）得到临界辐射热通量，结果见表2。

表2 不同相对湿度下，不同燃烧性能等级纤维板的临界辐射热通量值Table 2 The critical heat flux of fiberboard with different levels of fire retardant and moisture content

从图2中可明显看出，不同的相对湿度（含水率）下的点燃时间与外加辐射热通量的拟合直线与横轴几乎相交于同一点，这表明同种板材在不同的含水率条件下的临界辐射热通量是相同的，环境湿度对临界辐射热通量并没有显著的影响。这主要是因为在有外界辐射热流时，纤维板所含水分在受热过程中的吸热挥发，只在时间上延迟了板材的热解过程，并不真正影响纤维板材的热解和可燃气体的析出，因此含水率越高，只会相应的延长样品的点燃时间。当外加辐射热通量达到临界辐射热通量时，所含水分蒸发结束之后，板材依然可以热解析出足够的可燃气体起火燃烧。Moghtaderi等［13］曾对不同含水率天然木材的临界辐射热通量进行研究并得到了相同的结论。

图2 不同相对湿度条件下纤维板点燃时间随外加辐射强度变化Fig.2 The variation of ignition time of fiberboard with external heat flux under different conditions of relative humidity

从表2可知，B级板的临界辐射热通量均值为14.2kW／m2，C级板材为14.1kW／m2，而非阻燃板为11.2kW／m2。为了验证由理论推导得到临界辐射通量准确性，笔者在实验中将非阻燃干燥纤维板的外加辐射热通量降低至14kW／m2，得到的点燃时间为279s（见表1）。由此可知，非阻燃干燥纤维板的实际临界辐射热通量应当在14kW／m2以下，这与推导计算值11.2kW／m2相吻合。而对干燥B级板和C级板在16kW／m2低辐射热流条件下进行点燃实验，发现点燃时间超过300秒（见表1），因而其临界辐射热通量应略高于16kW／m2。考虑到实验测量和线性拟合误差，实验结论是可接受的。虽然B级板和非阻燃板在RH＝98%时的临界辐射热通量相对偏小，但是与其他环境湿度下的计算数值相差不大，综合考虑到实验测量和线性拟合误差，上述计算结果也是合理的。同时，这也进一步印证了板材的含水率对其临界辐射热通量并没有显著影响的讨论。

相比而言，阻燃处理使纤维板材的临界辐射热通量增加，这主要是因为添加的阻燃剂改变了纤维板材的热解过程，提高了热解过程中炭产量，炭遮挡了外界热辐射，使得阻燃过的板材在相同的辐射热通量的情况下析出的可燃气体变少，同时阻燃剂与纤维板材相互作用释放一些不燃气体，进一步稀释了可燃气体和氧气的浓度，需要更强的外加辐射热流才能将其点燃［14，15］。作为样品中燃烧性能等级最高的B级板，其临界辐射热通量比未阻燃的纤维板材提高3kW／m2（27%），阻燃效果明显。但是，对比B级板和C级板发现，两类阻燃板临界辐射热通量并没有显著区别，因而在评价这两类板材的安全特性时，不能将临界辐射热通量作为单一标准，需引入更多的参数进行综合评价。值得注意的是，本研究涉及的三类板材的临界辐射热通量均大大超出《建筑内部装修设计防火规范》（GB 50222－95，2001年版）中对室内装饰铺地材料临界辐射热通量的要求（4.5kW／m2），因此，这三类板材作为室内装饰铺地材料是相对安全的。

1.3 热释放速率

由于在室温条件下，建筑居室内的环境相对湿度通常为40%－60%［15］，建筑装饰用纤维板材多数处在这样的环境湿度中，因此图3给出了在相对湿度为50%下不同纤维板材锥形量热仪实验得到的热释放速率曲线图。从图3中可以明显看出，不论外界辐射热通量为30kW／m2还是50kW／m2时，经过阻燃的纤维板材的首峰峰值和准稳态期间的热释放速率都比未阻燃的要低，且燃烧性能等级越高，热释放速率的降低效果越明显。在30kW／m2时，样品中燃烧性能等级最高的B级板在辐射点燃后出现了火焰自熄现象。由此可见，添加阻燃剂对于降低纤维板材在燃烧时的热释放速率具有非常重要的作用。

图3 RH＝50%条件下不同纤维板材在不同辐射热通量下的热释放速率图Fig.3 The heat release rate of fiberboard with different levels of flame retardant under the condition of relative humidity of 50%

通过对比分析可以发现，在外加辐射热通量为30kW／m2和50kW／m2时，燃烧性能等级高的B级板材的热释放速率的首峰峰值从未阻燃的211kW／m2和290kW／m2，分 别 降 低 到 了 118kW／m2和145kW／m2，降幅分别为45%和50%。而与C级板的首峰峰值156kW／m2和219kW／m2相比，B级板首峰峰值降幅分别为25%和33%，且热释放速率曲线值整体下降明显，从而说明B级板比C级板具有更好的阻燃效果。添加阻燃剂之后，纤维板材热释放速率次峰峰值的出现时间也出现了明显的滞后现象，这说明阻燃剂不仅可以降低纤维板材的燃烧热释放速率，还有助于降低板材的热解和燃烧速率，抑制火势的发展蔓延，这无疑对发生火灾时减少火灾损失具有重要意义。

3 结论

随着纤维板材的大量应用，由其造成的火灾隐患也与日俱增，必须加强对纤维板材火灾危险性的研究。本文采用锥形量热仪对不同相对湿度环境处理过的不同燃烧性能等级的纤维板进行了辐射点燃实验，测得了不同辐射热条件下的点燃时间和燃烧热释放速率，采用热厚型一维积分模型对测得的点燃时间分析，得到临界辐射热通量，并分析了含水率以及外加阻燃剂对临界辐射热通量影响。主要结论如下：

（1）含水率增加可显著延长点燃时间，但对临界辐射热通量的影响不大，高湿度的环境不利于火灾的蔓延传播，但对于提高纤维板材的火灾安全性作用不大。

（2）阻燃处理可显著增加临界辐射热通量，提高板材的安全度。与非阻燃板相比，阻燃板的临界辐射热通量提高27%。但是，同样做过阻燃处理的板材之间的临界辐射热通量差别不大，因此需要引入热释放速率等参数对材料的安全性能进行综合评价。

（3）阻燃剂可以明显降低纤维板材燃烧时的热释放速率，而且阻燃剂级别越高，热释放速率的降低作用越明显。热释放速率越低，相同时间释热量越小，燃烧造成的损失越小。

因此，在实际的纤维板材生产中，可以通过添加高效的阻燃剂，提高其临界辐射热通量，降低燃烧时的热释放速率的方法来提高其火灾安全性。本文阐述了含水率和阻燃处理对纤维板的点燃行为的影响，但是没有涉及材料的热解机理以及由此引出的热释放速率变化规律，而且不同含水率条件下纤维板的燃烧行为也需研究，这也将是下一步工作的主要内容。

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