锥形量热仪对织物燃烧时CO释放情况研究

王然+谢维斌+蒋硕萌+李仕林+康东艳

摘要：采用锥形量热仪，定量研究了普通棉、毛、涤纶织物和含磷类阻燃棉、涤纶织物以及钛锆类阻燃羊毛织物燃烧过程中一氧化碳的释放情况。测试表明，在辐射通量为25 kW/m2情况下，普通棉、羊毛和涤纶织物释放CO起始时间分别为50、32、120 s，释放量分别为81.2、103.7、110.2 mg/g；阻燃棉、羊毛和涤纶织物释放CO起始时间分别为30、37、84 s，释放量分别为170.4、116.7、231.2 mg/g。说明纤维材质决定了织物的CO起始释放时间和释放量；含磷类阻燃剂的使用将CO起始释放时间提前，且织物的阻燃加工增加了CO的释放。

关键词：阻燃；织物；锥形量热仪；CO

中图分类号：TS107 文献标志码：A

Research on CO Emission of Burning Fabric by Cone Calorimeter

Abstract： CO emissions of cotton， wool， and PET fabric were quantitatively researched by using Cone Calorimeter. The results indicate that the starting time and amount of CO emission from fabric are determined by its fiber. Owing to addition of phosphorous flame retardant， the starting time of CO emissions of the fabric is advanced. And the amount of CO released from fabric is increased due to its flame-retardant treatment.

Key words： flame-retardant； fabric； Cone Calorimeter； carbon monoxid

火灾危险不仅由材料的热危险决定，还与烟气危险紧密相关。导致人员伤亡的主要是由于包括纺织品在内的各种材料燃烧时放出的多种毒性气体，其中包括CO、HCN、SO2、HCl、H2S等。毒性气体的产生与建筑材料、室内装饰物、家具、纺织品等密切相关。研究燃烧生成气体的毒性问题已在材料、公共安全等诸多领域成为一项重要课题，但这一点在传统纺织品检测中往往被忽视。

CO是材料不完全燃烧时产生的一种无色、无臭、无刺激性的气体，进入人体之后会造成人体中毒。CO也是纺织品燃烧过程中释放的主要毒性气体之一，特别对于阻燃纺织品而言，由于燃烧不完全会增加CO的释放量。

锥形量热仪是一种以氧消耗原理为基础的新一代燃烧测定仪，通过调节其锥形辐射加热器辐照功率，可模拟不同规模火灾场景，因标配有CO探测器，能够对试样燃烧过程中CO释放情况进行动态监测。常用织物在锥形量热仪测试中属厚度小于 6 mm的薄型材料，受热时几乎不存在温度梯度，因此当样品密度差距在数倍以内时，燃烧在试样内外同时发生，不会因织物规格不同而对CO释放测试产生影响。因此，本文采用锥形量热仪，定量探索普通棉、毛、涤纶织物和阻燃棉、毛、涤纶织物燃烧过程中CO释放情况。

1 试验

1.1 材料

各种织物名称与规格如表 1 所示。

1.2 测试

参照ASTM E 1354 — 2002《使用耗氧量热计测试材料和产品的热和可见烟释放速率的方法》，使用Dual Analysis Calorimeter 2000型锥形量热仪测试织物CO释放情况，试样尺寸100 mm×100 mm，水平置放于铝箔上，下部用岩棉隔断热量从样品背面向外传递，定位架与样品之间放置格栅，选定辐射通量为25 kW/m2，每种试样重复测试 5 次，实验数据由锥形量热仪专用软件进行分析处理。

2 结果与讨论

在辐射通量为25 kW/m2情况下，普通棉、毛、涤纶及阻燃棉、毛、涤纶织物燃烧过程中，CO释放情况如图 1 — 图 3所示。由于测试过程中，环境大气中CO浓度有波动，所以图中CO起始位置不完全相同。

从图 1 — 图 3 可以看出，燃烧过程中普通羊毛织物释放CO时间较早，为32 s；棉和涤纶织物依次为50、120 s。阻燃棉、涤纶织物释放CO时间则分别提前至30、84 s；阻燃毛织物释放CO时间为37 s，变化较小。这种变化与 3 种阻燃织物阻燃机理有关。阻燃棉、涤纶织物采用的是含磷阻燃剂，需在织物燃烧前降解以保护纤维，而羊毛采用的是钛锆盐，在燃烧过程中分解产生阻燃作用。

为了对织物CO释放情况进行定量分析，以织物释放CO前曲线平滑处为基线，对曲线进行积分，得到在整个燃烧过程中CO释放总量。扣除试样质量的影响，即可换算得到单位质量样品CO释放情况，如表 2 所示。

从表 2 中可以看出，就普通棉、毛、涤纶织物而言，燃烧过程中CO释放量较小。其中每单位质量普通棉织物CO释放量最小，为81.2 mg/g；普通毛织物的释放量略小与普通涤纶织物，二者分别为103.7、110.2 mg/g。与普通织物相比，阻燃棉、涤纶织物的CO释放量增加显著，增幅分别达到109.7%、110.5%；而毛织物仅增加12.5%，增长不显著。这表明在燃烧过程中，棉、涤纶织物的阻燃加工在减少释放热的同时，大幅增加了毒性气体的释放量，增大了对人员的潜在危害。阻燃毛织物CO释放量虽增长较少，但并不意味着毛织物更安全，因为其燃烧时释放的氢氰酸未考虑在内。

3 结论

（1）纤维材质对纺织品燃烧时CO的起始释放时间和释放量具有决定性作用。（2）含磷类阻燃剂的使用将CO起始释放时间显著提前，而钛锆盐类阻燃剂对CO起始释放时间影响不显著。（3）纺织品阻燃加工后，增加了CO的释放，增大了人员伤亡的潜在危险。因此，纺织品阻燃效果评价中，应充分权衡热和毒性气体对人员的危害。

参考文献

[1] 赵杰.火灾烟雾中的有毒气体[J].疾病控制杂志，2003，7（4）：338-340.

[2] 童朝阳，阴忆烽，黄启斌，等.火灾烟气毒性的定量评价方法评述[J].安全与环境学报，2005，5（4）：101-105.

[3] Hamada Y，Darung U，S H Limin，et al.Characteristics of fire-generated gas emission observed during a large peatland fire in 2009 at Kalimantan， Indonesia[J].Atmospheric Environment，2013，74（8）：177-181.

[4] Schartel B，Hull T R.Development of fire-retarded materials- Interpretation of cone calorimeter data[J].Fire and Materials，2007，31（5）：327-354.