典型壁纸热解和燃烧性能试验研究

高亚萍，张 顺

(1.武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000； 2.张家界市公安消防支队，湖南 张家界 427000)

典型壁纸热解和燃烧性能试验研究

高亚萍1，张 顺2

(1.武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000； 2.张家界市公安消防支队，湖南 张家界 427000)

选取纯纸壁纸、壁布和无纺布壁纸作为研究对象，分别对其进行热分解试验、烟密度试验、氧指数试验和水平垂直燃烧试验。研究结果表明：纯纸壁纸与壁布热解过程分为两个阶段，无纺布壁纸分为三个阶段；壁布烟密度等级最低，产烟缓慢并且产烟量少；三种壁纸均属于易燃材料，纯纸壁纸氧指数值最高；三种壁纸均属于HB75级且壁布与无纺布壁纸水平燃烧速率相对较低。综合试验结果表明，壁布相对来说产烟量较少，水平燃烧速率较低，在较高温度发生明显热解现象，具有较高的安全性。

装饰壁纸；热分解；烟密度；氧指数；水平垂直燃烧

0 引言

随着经济与科技的发展，人们的需求不断提高，普通民众家庭也开始使用高档装饰材料，其中壁纸因为其精美纹理和高档大气被广泛使用。但壁纸是一种易燃材料，在火灾中被引燃不仅会产生高温，而且所产生的烟气还会阻碍人员逃生，威胁人员安全。所以对不同壁纸的热解性能以及各项燃烧性能进行研究，以指导壁纸的选用，对保证建筑物内人员的生命、财产安全具有重要意义。笔者选取三种典型装饰用壁纸(纯纸壁纸、壁布、无纺布壁纸)，对其分别进行热解试验、烟密度试验、氧指数试验和水平垂直燃烧试验研究，分析不同种类壁纸的热解性能和燃烧性能，评估其火灾危险性，科学反映出不同种类内装饰壁纸对人员的生命及财产安全的影响程度。

1 试验装置与材料

试验装置：STA449 F3 Jupiter型热重分析仪；SCY-Ⅰ型建筑材料烟密度测定仪；HC-2型氧指数测定仪；CZF-3型水平垂直燃烧测定仪。试验材料：纯纸壁纸、壁布和无纺布壁纸，均为市售。

2 试验内容与方案

2.1 热分解试验

试验在35～700 ℃区间进行，升温速率15 ℃·min-1，氮气为保护性气体，气体流速30 mL·min-1。

2.2 烟密度试验

将三种壁纸按照规范制样后不添加任何试剂进行燃烧，由试验箱中光通量的损失测试烟密度。

2.3 氧指数试验

在标准试验条件下，试样在氧氮混合气体中，维持平稳燃烧所需的最低氧气浓度(体积百分数)称为氧指数。通常氧指数OI=φF+Kd，其中φF为测试时的最后一个氧浓度(%)；K为系数，查表得到；d为测试时两个氧浓度之差[1]。

将三种壁纸按照规范制样后不添加任何试剂垂直夹在试验玻璃筒中，并向试验玻璃筒内通入氮、氧混合气体。采用顶面点燃法，点燃样品顶端部分，观察燃烧情况，记录燃烧长度及燃烧时间[2]。试样离点燃端50 mm处画标线，样品燃烧时火焰前沿超过标线时或者燃烧时间超过180 s时，记为“×”，降低氧气浓度；样品燃烧时的火焰前沿未超过标线时，记为“○”，增加氧气浓度。反复操作这一流程，氧浓度之差小于等于1.0%时，且一次为“○”，一次为“×”，在高低两个氧浓度中逼近最后的真实最低氧浓度值即为氧指数。

2.4 水平垂直燃烧试验

2.4.1 水平燃烧试验

在标准试验条件下，单位时间内火焰传播的长度称为火焰传播速度。它是衡量火势蔓延程度的重要参数以及判定材料燃烧性能的重要标准。材料的水平燃烧性能分为HB、HB40和HB75级。记录水平放置的试样暴露于点火源时，燃烧速率、烧损长度及余焰和余辉时间等参数。由v=60L/t计算每个试样的线性燃烧速率并判别其燃烧性能。

将三种壁纸按照规范制样后不添加任何试剂固定在水平试样夹上，在离样品点火端25 mm和100 mm处标记两条标线。样品点火端与金属筛网边缘对齐。操作本生灯使其灯管中心轴与水平呈45°角，控制仪器进行试验，记录火焰前端到达情况：(1)火焰前端未到达25 mm标线。(2)火焰前端超过25 mm标线，未到达100 mm标线。记录烧损长度L以及燃烧时间t。(3)火焰前端到达100 mm标线。记录烧损长度L为75 mm以及燃烧时间。重复操作3次并记录试验数据，计算样品的燃烧速率并进行比较分析。

2.4.2 垂直燃烧试验

将三种壁纸按照规范制样后不添加任何试剂固定在垂直试样夹上，调节仪器使样品点火端与灯管顶面距离10 mm。开启仪器装置进行试验，观察试样燃烧状况，记录余焰和余辉时间，重复操作试验。根据标准《塑料 燃烧性能的测定 水平法和垂直法》(GB/T 2408—2008)[3]，材料的垂直燃烧性能分为V-0、V-1和V-2。

3 试验结果与分析

3.1 热分解试验结果与分析

3.1.1 壁纸TG和DTG曲线分析

图1和图2分别是三种壁纸的TG和DTG曲线。由于三种壁纸热解过程大致相似，纯纸壁纸和壁布出现2个较为明显的质量减少阶段，无纺布壁纸热解过程中存在3个较为明显的质量减少阶段，因此下面以无纺布壁纸为例进行分析。35～112 ℃温度段为无纺布壁纸的第一失重阶段，失重主要是因为无纺布壁纸中的水分蒸发所造成[4-5]；在112～160 ℃温度段，材料内部水分基本蒸发完毕，失重进行缓慢；160～363 ℃温度段为无纺布壁纸第二失重阶段，失重是无纺布与表面覆盖物材料共同热解的结果，此阶段失重速度较快；在363～644 ℃以后无纺布壁纸失重速率明显降低；644～698 ℃温度段为无纺布壁纸第三失重阶段，此阶段主要是因为残留物在反应性气体中热解所造成，而后曲线趋于平稳，反应剩余物为灰分。三种壁纸在同种条件下的热解参数见表1。

图1 三种壁纸TG曲线

图2 三种壁纸DTG曲线表1 三种壁纸在同种条件下的热解参数

样品失重阶段温度区间/℃失重率/%最大失重速率/%·min-1总失重率/%残碳量/%纯纸壁纸第一阶段第二阶段35～110240～4483.6550.351.6011.8567.732.3壁布第一阶段第二阶段35～100360～5112.4382.141.0626.9191.778.23无纺布壁纸第一阶段第二阶段第三阶段35～112160～363644～6983.5253.335.651.4111.473.9177.6722.33

3.1.2 三种壁纸在同种条件下热解性能的比较

由图1、图2和表1可以看出在氮气气氛下，三种壁纸在第一失重阶段时无论温度区间、失重率以及最大失重率差别都不大，故不作具体分析。在第二失重阶段，纯纸曲线相对于无纺布曲线来说主要失重阶段在较高温度区，而壁布曲线的主要失重阶段相对于另外二者在更高温度区，图2中无纺布与纯纸的DTG曲线峰值相差不大，而壁布的DTG曲线峰值相对于前二者较大。这在图1中表现为：纯纸壁纸的第二失重阶段温度区间相对于无纺布壁纸向高温区移动；壁布的第二失重阶段相对于前二者来说接近高温区，最大失重速率和失重率显著增大。由图还可以看出：无纺布壁纸还存在第三失重阶段，此阶段相对于其余两种壁纸来说，在温度区间相同的情况下具有较大的失重率与最大失重速率。同时，由图1和表1看出无纺布壁纸的残碳量小于纯纸壁纸，而壁布的残碳量则小于前二者。三种壁纸本身的化学组分不相同，除纯纸壁纸外，另外两种材料是由一些高分子复合材料组成，在高温作用下更易于热解。

3.2 烟密度试验结果与分析

将纯纸壁纸、壁布和无纺布壁纸按照规范制样后放入烟密度测定仪中进行燃烧，试验在23 ℃和相对湿度为48%的标准试验条件下进行。图3为三种壁纸燃烧时光吸收率与试验时间关系的曲线，表2为三种壁纸的试验数据。

图3 三种壁纸燃烧光吸收率曲线表2 不同壁纸的试验数据

样品TSP/mm2MSD达到MSD时间/sSDR纯纸壁纸12698.5874.515352.91壁布7453.7547.8724031.06无纺布壁纸12717.7977.5324052.99

由图3可知，燃烧开始阶段，纯纸壁纸和无纺布壁纸便迅速产生烟气，产烟率大于壁布。燃烧过程中，壁布、无纺布壁纸边缘卷曲燃烧，并且壁布迅速熔融炭化形成黑色固态物质附着在铁丝网上。曲线下与横坐标所围成的面积为总产烟量(TSP)；曲线最高点的光吸收率读数为最大烟密度(MSD)；烟密度等级(SDR)即为总产烟量除以纵、横坐标端点所代表的长度乘积。烟密度等级SDR=1/16(a1+a2+…+a15+a16/2)×100，其中a1,a2,…,a16为每隔15 s的平均烟密度的百分率值[1]。

由表2可知，在标准试验条件下，纯纸壁纸与无纺布壁纸的总产烟量相近并且远远大于壁布的总产烟量，三种壁纸的烟密度等级大小排列为：无纺布壁纸>纯纸壁纸>壁布。当用这三种壁纸作为室内装修材料的情况下，发生火灾时，纯纸壁纸与无纺布壁纸不仅能在短时间内产生大量烟气，阻碍人员视线，影响人员逃生，而且两种壁纸迅速燃烧也会增加火灾扑救的难度，相对而言，壁布产烟缓慢并且产烟量小，作为室内装修材料更加安全。

3.3 氧指数试验结果与分析

表3、表4、表5分别为在标准试验条件下纯纸壁纸、壁布和无纺布壁纸的试验数据。由表3、表4、表5分析得到纯纸壁纸燃烧所需的最低氧浓度为22.4%，查表得到K=-0.14；壁布燃烧所需的最低氧浓度为17.4%，查表得到K=-0.46；无纺布壁纸燃烧所需的最低氧浓度为17.2%，查表得到K=-1.25[1]。一般来说，织物OI值低于26.0、介于26.0和32.0、高于32.0分别定义为易燃材料、可燃材料、难燃材料[1,6]。计算可得：纯纸壁纸OI=22.372，属易燃材料；壁布OI=17.31，属易燃材料；无纺布壁纸OI=16.95，属易燃材料。分析数据可以看出，三种壁纸都属于易燃材料，在遇到火源后容易发生燃烧并且迅速扩散，存在不小的安全隐患。对比可以看出，壁布和无纺布都是由化工合成材料组成，在燃烧时不但会释放有毒气体，而且氧指数值相似且都比纯纸壁纸低，相对而言更容易在着火时危及人员的安全。

表3 纯纸壁纸在标准试验条件下的试验数据

表4 壁布在标准试验条件下的试验数据

表5 无纺布壁纸在标准试验条件下的试验数据

3.4 水平垂直燃烧试验结果与分析

按燃烧性能测试方法，分别进行纯纸壁纸、壁布和无纺布壁纸水平和垂直燃烧测试，试验数据见表6、表7。由表6可知，根据GB/T 2408—2008，纯纸壁纸的平均燃烧速率为69.3 mm·min-1，燃烧性能级别为HB75级；壁布的平均燃烧速率为51.4 mm·min-1，燃烧性能级别为HB75级；无纺布壁纸的平均燃烧速率为58.0 mm·min-1，燃烧性能级别为HB75级。分析三种壁纸水平燃烧性能，虽然都属于HB75级材料，但是就燃烧速率而言，纯纸壁纸的燃烧速率明显高于其余两种壁纸。由表7可知，由于三种壁纸的火焰都蔓延至夹具，所以三种壁纸的垂直燃烧性能都为不合格。而且壁布还伴随着可燃滴落物，这无疑增加了发生火灾时的危险性。

表6 三种壁纸水平燃烧试验数据

表7 三种壁纸垂直燃烧试验数据

4 结论

通过对典型壁纸(纯纸壁纸、壁布和无纺布壁纸)的热分解试验、烟密度试验、氧指数试验和水平垂直燃烧试验，研究三种壁纸的热解性能和燃烧性能，主要结论为：(1)样品的热解失重与样品组分有关，样品组分不同，热解过程也不同。壁布相对于其他两种壁纸而言，需要在相对较高的温度才出现明显失重现象，比其他两种壁纸更具有安全性。从DTG曲线得到，壁布的峰值要比其余两种壁纸更高，说明在主要失重阶段反应更加剧烈。(2)相同试验条件下，纯纸壁纸与无纺布壁纸产烟量远大于壁布，且从烟密度等级上来看，无纺布壁纸>纯纸壁纸>壁布。相对而言，壁布产烟缓慢并且产烟量小，作为室内装修材料更加安全。(3)纯纸壁纸、壁布和无纺布壁纸均属于易燃材料，在空气中与火焰接触时燃烧由易到难的顺序为无纺布壁纸、壁布、纯纸壁纸。(4)三种壁纸水平燃烧性能都属于HB75级材料，但纯纸壁纸的燃烧速率明显高于其余两种壁纸，存在的火灾危险性更大。三种壁纸的垂直燃烧性能都为不合格。(5)综合分析，如果仅以三种壁纸作为室内装修壁纸来说，壁布相对安全性更高，火灾危险性相对较小。

[1] 杨守生.消防工程专业实验[M].北京:中国人民公安大学出版社,2012.

[2] 韦淇峰.阻燃纤维板实用燃烧性能测试法的比较研究[J].广西林业科技,2012,41(1):56-58.

[3] 国家合成树脂质量监督检验中心.塑料 燃烧性能的测定 水平法和垂直法：GB/T 2408—2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

[4] 高亚萍.装饰用壁纸的热解特性研究[J].火灾科学,2008,17(2):99-104.

[5] 高亚萍.普通壁纸与防火壁纸热解特性的对比研究[J].火灾科学,2010,19(3):138-142.

[6] 李豫伟.极限氧指数的测试及影响因素探究[J].科技资讯,2014(20):224.

(责任编辑马龙)

ExperimentalStudyonPyrolysisandCombustionofTypicalWallpaper

GAO Yaping1, ZHANG Shun2

(1.DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China; 2.ZhangjiajieMunicipalFireBrigade,Hu’nanProvince427000,China)

Pure paper wallpaper, wall cloth and non-woven wallpaper have been selected as research objects. Thermal decomposition experiments, smoke density experiments, oxygen index experiments, horizontal vertical burning experiments have been conducted on these research objects respectively. The research results show that the thermal decomposition processes of pure paper wallpaper and wall cloth can be divided into two stages. However non-woven wallpaper can be divided into three stages. The smoke density of the wall cloth is the lowest and less smoke is generated in the slow generation process. The three kinds of wallpapers are all flammable materials, while the oxygen index of pure paper wallpaper is the highest. The HB levels of these wallpapers are all evaluated as HB75 and the horizontal burning rates of the wall cloth and non-woven wallpaper are relatively low. The results of the four experiments show that the smoke generated by wall cloth is the smallest; the horizontal burning rate of the wall cloth is the lowest; the thermal decomposition process of wall cloth occurs obviously at a higher temperature. Therefore wall cloth is relatively safer.

decorative wallpaper; thermal decomposition; smoke density; oxygen index; horizontal vertical burning

2017-07-18

高亚萍(1975— )，女，河北文安人，副教授； 张顺(1995— )，男(土家族)，湖南张家界人。

D631.6

A

1008-2077(2017)10-0009-05