基于锥形量热仪的聚合物材料燃烧性能研究*

方　璐，鲁　宁，吴亚楠，王德贵

(重庆科技学院安全工程学院，重庆　401331)



基于锥形量热仪的聚合物材料燃烧性能研究*

方璐，鲁宁，吴亚楠，王德贵

(重庆科技学院安全工程学院，重庆401331)

应用锥形量热仪测试聚氟乙烯塑料板(PVC)、聚氨酯泡沫塑料板(PU)和超高分子量聚乙烯塑料板(UPE)三种聚合物材料，分别得到在50 kW/m2及75 kW/m2的辐射强度下的热释放速率(HRR)、点燃时间(TTI)、总释热量(THR)、总生烟量(TSR)等参数，通过对比实验现象和实验数据，分析得出了聚合物的燃烧性能和烟气特性，研究结果对于进一步研究高分子聚合物的火灾特性具有重要意义。

聚合物；锥形量热仪；燃烧特性；热释放速率

目前，高分子聚合物材料被广泛应用于各类建筑中，发生火灾时，由于聚合物具有内在易燃性，会助长火势蔓延，并且在燃烧过程中，会释放出大量的有毒有害气体及烟雾，阻碍人员逃生，大大增加了使用场所的火灾危险性。因此，合理评价聚合物材料在火灾条件下的燃烧性能显得尤为重要。

锥形量热仪利用耗氧原理进行工作，可以测量HRR(热释放速率)、THR(总释放热)、TSP(总生烟量)等主要参数。该仪器经不断改进和完善，在研究材料燃烧性能领域中已成为非常重要的实验仪器之一[1]，相对于传统的材料燃烧性能检测方法，如大板燃烧法、垂直燃烧法、极限氧指数法及NBS烟箱法，锥形量热仪的燃烧环境与真实的燃烧环境非常相似，应用其得到的测试结果与大型燃烧实验结果之间的相关性很强，是目前实验室小规模燃烧测试的先进方法之一[2]。

1　实　验

1.1实验样品

实验选用的均为建材市场中常见的聚合物材料，分别是：聚氟乙烯塑料板(PVC)、聚氨酯泡沫塑料板(PU)和超高分子量聚乙烯塑料板(UPE)。

表1　实验样品参数Table 1　Parameters of experimental samples

实验样品规格均为100 mm×100 mm×4 mm，用铝箔纸完整包裹其五个侧面，防止燃烧时样品的滴漏，影响测试的准确性。在火灾发展阶段，达到轰然时火焰和高温烟气的热辐射通量可达75 kW/m2[3]，中等规模的火灾辐射热一般为50 kW/m2[4]。为了更真实的模拟火灾场景下的聚合物燃烧，分别测试热辐射强度为50 kW/m2和75 kW/m2条件下的样品板燃烧情况。实验样品参数见表1。

1.2实验过程

实验采用英国FTT公司生产的FTT 0007型锥形量热仪，按照ISO 5660标准[5]进行实验，将用铝箔包裹好的样品板放入燃烧盒的衬垫(玻璃棉)上，调整合适的测试高度并平整均匀的压好。样品板是在未采用燃烧盒盒盖的状况下进行测试的，样品板试剂受到辐射热的外露面积为100 mm2。系统走完60 s基线开始测试时，将燃烧盒重新放置在称重传感器的支架上，同时把电子脉冲点火器旋转至样品板上方，使其处于不断打火的状态，系统每隔5 s采集一次热释放、烟气等燃烧性能指标，直至火焰熄灭，结束测试。

2　结果及讨论

应用锥形量热仪测试样品燃烧参数的结果见表2。

表2　不同辐射热下样品材料燃烧参数Table 2　Combustion parameters of samples under different radiation heat

由表2可知，样品1-50、2-50、3-50在50 kW/m2的热辐射强度下，点燃时间分别为20 s、64 s、74 s，燃烧持续时间分别为260 s、415 s、250 s；在75 kW/m2时点燃时间分别为16 s、26 s、42 s，燃烧持续时间分别为185 s，305 s、235 s，材料表面所受的热辐射强度越高，点燃时间越短，材料得到更加充分的燃烧，持续燃烧的时间缩短，燃烧释放的热量更多。PU在辐射热作用下，点燃时间仅为16 s、20 s，遇火源时极易被点燃，点燃后燃烧剧烈，极易发生轰然； PVC在75 kW/m2条件下，点燃时间从64 s缩短至26 s，说明较强辐射热条件下PVC的裂解速度加快，形成的混合蒸汽更易达到其燃烧极限。

聚合物发生热解反应主要通过无规则断链反应、解聚反应和小分子消除反应[6]。观察燃烧过程，PU、PVC、UPE三种塑料板均发生熔融、弯曲变形收缩现象，PU燃烧过程中熔融滴落现象最为明显。样品1-50和样品1-75燃烧彻底，无剩余残留物，样品2-50和样品2-75燃烧剩余少量黑色丝状物，样品3-50和样品3-75燃烧后剩余大量碳渣，燃烧过程均产生了大量的黑烟，并伴随着刺激性气味。

2.1热释放速率(HRR)

热释放速率(HRR)是指在预设热辐射强度下，材料表面被点燃后，单位面积样品释放热量的速率，是评价材料燃烧性能的一个重要因素，能反应材料燃烧过程的火灾危险性，HRR越大，就表明聚合物的表面的热裂解速度越快，加速火焰的向外扩张和传播，使其火灾危险性增大。PU、PVC、UPE的热释放速率变化情况如图1所示。

图1　三种材料的热释放速率曲线图Fig.1　The curve graphs of heat release rate of three kinds of materials

图1(a)中和图1(b)中PVC的平均热释放速率和峰值热释放速率都是三种材料中最小的，在开始受热阶段，材料发生弯曲收缩现象，点燃后稳定缓慢燃烧，完全燃烧后有大量残留物剩余。

从图1(a)中的HRR曲线可以看出PU在40～100 s之间逐渐开始放热，逐渐形成低活性的自由基，燃烧到120 s左右时，热释放速率迅速上升达到750～800 kW/m2，燃烧时材料表层在物理和化学分解双重作用下快速融化[7]，沸腾现象明显，融化的表层迅速被点燃，发生轰然现象，在150 s左右，热释放速率快速下降，轰然消耗了大部分累积的自由基，燃烧效率降低，进入稳定燃烧阶段。实验过程中，在热辐射强度为75 kW/m2条件下的PU分解速率加快，图 1(b)中的HRR曲线的变化规律与图1(a)中的大致相同，只是沸腾现象更加明显，自由基累积更为迅速，达到轰燃的时间提前，热释放速率最高达到1000～1200 kW/m2，这在真实火灾环境中，极易引燃材料周围的可燃物，引起火势的扩大。

从图1(a)中的HRR曲线可以看出UPE燃烧时的热释放速率稳定提升，在100～230 s时间范围内HRR值均在150 kW/m2以上，最高达到500～550 kW/m2，图1(b)中UPE的HRR曲线，在75 kW/m2热辐射强度下的HRR变化不稳定，可能是高辐射热作用下引起的不规则断链导致的，长时间向外产生辐射热，周围可燃物辐射温度累积升高，增强火灾危险性。

2.2总释热量(THR)

总释热量(THR)是指在预先设置的热辐射强度下，材料从被点燃到完全熄灭时所释放出的热量总和，将HRR和THR联合分析，可以较为客观全面的反映材料的材料燃烧性能。

由图2(a)和图2(b)可知，UPE的总释放热最大，为50～60 MJ/m2；PVC的总释放热最小，为30～35 MJ/m2。UPE被点燃后，稳定缓慢燃烧，总释热量随时间变化均匀上升；PU的总释热量出现时快时慢的现象，这可能是在发生轰然后，燃烧效率降低影响热量释放所致。单从THR参数来看，UPE的火灾危险性最大；结合HRR的变化情况，PU的热释放速率峰值最高，同样具有使火灾扩大的危险。

图2　三种材料的总释热量曲线图Fig.2　The curve graphs of total heat release of three kinds of materials

2.3总生烟量(TSR)

总生烟量是表示单位样品面积燃烧时所累积的烟气生成总量，是评价材料火灾危险性高低的另一重要指标。高分子裂解燃烧会产生大量的有毒有害气体，烟气使火场环境下的能见度降低，阻碍人员逃生。据相关统计，火灾中死亡人员85%以上是由于吸入烟气致死。

图3三种材料的总生烟量曲线图

Fig.3The curve graphs of total smoke release of three kinds of materials

从图3(a)中的TSR曲线图可以看出PVC、UPE、PU开始产生烟气的时间分别为20 s、50 s、75 s，在材料被点燃前，烟气就开始随时间逐渐累积，此时的烟气是由于高聚物热解所产生。对比三种材料的烟气释放量发现：PU的烟气释放量在150 s之前比PVC的烟气释放量大，150 s之后，PU的总生烟量比PVC的总生烟量小，总生烟量在660 m2/m-2左右；PVC的总生烟量最多，高达1100～1400 m2/m-2；UPE在受到辐射热被点燃后充分燃烧，总生烟量最少。

3　结　论

燃烧所得的HRR、TTI、THR和TSR可以基本反映出材料的燃烧特性和火灾危险性，通过这几个参数的分析，可以得到HRR、THR越大，TTI越小，材料潜在的火灾危险性就越大，反之则危险性较小；PVC和UPE的无规则断链和PU的解聚反应及无规则断链反应导致他们的发烟量均很大，特别是PVC在解聚过程中形成了多烯烃结构导致其发烟量极大最高达到1378.94 m2/m-2；由于UPE的稳定燃烧，导致其HRR长时间处于高热量释放状态，对火源周围的可燃物造成威胁；PU的点燃时间极短，75 kW/m2辐射强度下仅为20 s，点燃后PU在自由基累积效应下发生轰然，使其HRR值骤升，极易点燃周围可燃物导致火灾蔓延。

由于火灾模型日益趋向复杂化，锥形量热仪所提供的数据参数在防火保护方面也是越来越重视，采用CONE对材料进行燃烧性能的测试，具有较为理想的效果，特别是在高分子领域，分析聚合物的燃烧性能及烟气特性方面具有广阔的应用前景。

[1]郝权,蒋曙光,位爱竹,等.锥形量热仪在火灾科学研究中的应用[J].能源技术与管理,2009(1):72-75.

[2]罗凤姿,赵迪,王勇.锥形量热仪中聚合物的熔融现象及其对燃烧行为的影响[J].工程塑料应用,2014,42(8):71-76.

[3]金辉.挤塑聚苯乙烯泡沫塑料燃烧性能判定[J].消防科学与技术，2011,30(8):725-728．

[4]郑亮.常见有机保温材料的锥形量热仪烟气特性研究[J].消防技术与产品信息,2015(1):8-11.

[5]ISO5660-1，Reaction to fire tests-Heat release, smoke production and mass loss rate-Part 1: Heat release rate (cone calorimeter method)[S].

[6]张玉龙,夏裕彬.阻燃高分子材料[M].北京:中国石化出版社，2010:20-26.

[7]Morgan A. Fire and polymers VI: New advances in flame retardant chemistry and science[M]. Washington, DC:American Chemical Society，2012:311-325.

Study on Combustion Performance of Polymer Materials Based on Cone Calorimeter*

FANGLu,LUNing,WUYa-nan,WANGDe-gui

(School of Safety Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

An experimental study of the burning behavior of three kinds of polymer materials which were polyvinyl fluoride plastic (PVC), polyurethane foam (PU) and high molecular weight polyethylene plastic (UPE) was discussed by using cone. For the purpose, some parameters were tested at 75 kW/m2and 50 kW/m2heat radiant intensities, such as heat release rate, ignition time, total heat release, total biomass, etc. By comparing and analyzing the experimental data, the combustion and smoke characteristics of the polymer were concluded. The results of the study had great significance for the further study of the fire characteristics of polymer.

polymer materials；cone；combustion parameters；heat release rate

重庆科技学院2015年度研究生科技创新计划项目：纳米氢氧化铝改性饰面膨胀型防火涂料的研究(YKJCX2015039)；重庆科技学院2016年度研究生科技创新计划项目：抑烟剂对水性膨胀型防火涂料的影响规律及抑烟机理研究(YKJCX1620709)。

方璐，女，重庆科技学院安全工程专业研究生在读。

鲁宁，研究方向：化工安全和消防安全。

O63

A

1001-9677(2016)018-0080-03