水喷淋压力对聚氨酯燃烧的抑制作用研究

康铭洋 赵恒泽 杨云杰

摘要：聚氨酯主要分为硬质聚氨酯（RPU）和聚氨酯软泡（FPU），其具有较强的火灾危险性，前者主要应用于外墙保温领域，后者广泛使用于各种家具。本文主要采用水喷淋对FPU和RPU燃烧进行灭火实验，来研究喷淋压力对平均火焰高度的影响规律。结果显示，施加水喷淋后，平均火焰高度迅速降低;增加喷淋压力能有效抑制聚氨酯材料燃烧，喷淋压力为0.3MPa时抑制作用达到顶峰，再增加喷淋压力作用效果并不明显。

关键词：水喷淋;聚氨酯;火焰高度

聚氨酯材料（PU）是聚氨基甲酸酯的简称，英文名称是polyurethane，是一种化学合成聚合物，通常由异氰酸酯与多元醇反应得到。本文选用的燃烧材料是聚氨酯的两种不同品种：聚氨酯软泡（FPU）与硬质聚氨酯（RPU），前者广泛使用于各种家具，当发生燃烧后，会融化形成流体，引发池火灾，并且由于其流动特性，火灾的可控性很差;后者主要应用于外墙保温领域，硬质聚氨酯保温材料（RPU）因其质量轻、保温隔热性能优越且稳定性好等特点被广泛应用于高层建筑中，但其含有大量的易燃片段以及高的比表面积，在高温下会急剧分解为可燃气体使其燃烧蔓延速度极快，形成立体燃烧。两种材料均易燃烧并产生大量CO和HCN等有毒烟气，极易造成人员伤亡。

一、实验及数据处理方法

（一）实验材料及过程

本实验采用高50cm，宽10cm，厚2cm的FPU与RPU板，两边包裹上锡箔纸（为了防止火焰烧到石膏板影响数据分析）分别放置在一块带有同样大小凹槽的石膏板上进行实验。

CO、HCN浓度传感器（CLE-0052-400）（CLE-0731-400）置于距离材料底部约100cm处，在距离材料水平15cm处放置辐射热流量计，水喷淋所用喷头安放在距离物体表面水平约70cm，距离地面垂直120cm处，角度为50°，如图 1所示。

为了获得更为精确的点燃条件，采用了用于引燃竖直壁面可燃材料的线性点火源，以高纯度丙烷气作为燃料，丙烷气体流量为250ml/min。此外，实验全程通过索尼数码相机（25帧/秒）进行全程录制。

利用点火装置从底部将两种聚氨酯材料点燃，这时开始计时，燃烧至十分钟时开启水喷淋装置，直至将火焰完全熄灭为止。分别改变喷淋压力为0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa，进行实验。其中，不同压力对应的体积流率和喷淋流量如表1所示。

（二）数据处理

对于摄像机采集到的火焰视频数据，利用MATLAB图像数据处理技术，从视频中读取每一帧的火焰燃烧图像，利用rgb2gray函数将RGB图像转换得到灰值图，同时剪出目标区域图像，对其进行滤波处理，使滤波后图像边界更清晰，再对其图像矩阵寻找火焰最高点，最后通过比例尺转换的方法得到火焰的实际高度，并作图 2。

二、不同喷淋压力对平均火焰高度的影响

图2a为FPU材料被喷淋压力分别为0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa的水抑制时的平均火焰高度，可以明显观测到施加水喷淋后，平均火焰高度迅速降低。随着喷淋压力的增加，同一时刻FPU平均火焰高度逐渐降低，喷淋压力为0.3MPa、0.4MPa时喷淋抑制效果变化不大。图2b为RPU材料被喷淋压力分别为0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa的水抑制时的火焰高度，可以发现施加水喷淋后，火焰高度同样迅速降低。随着喷淋压力的增加，同一时刻RPU平均火焰高度逐渐降低，同样的，喷淋压力为0.3MPa和0.4MPa时，施加喷淋后，二者的平均火焰高度变化不大。可见，从平均火焰高度变化的情况来说，无论对于FPU还是RPU，最佳喷淋压力都是0.3MPa。

三、结语

本文采用聚氨酯软泡（FPU）与硬质聚氨酯（RPU）材料进行水喷淋抑制其燃烧实验，研究了喷淋压力对平均火焰高度的影响规律，研究表明施加水喷淋后对抑制聚氨酯燃烧效果明显，增大喷淋压力可以抑制材料燃烧，在喷淋压力为0.3MPa时抑制作用达到顶峰，再增加喷淋压力抑制作用效果并不明显。从而得出本实验结论：无论是对于RPU还是FPU燃烧来说，喷淋压力为0.3MPa时抑制效果最好。

参考文献：

[1]王春三，王鹏，马鑫.RPU材料逆流火蔓延燃烧特性[J].消防科学与技术，2015，34（08）：988-991.

[2]赵修文，张涛，李博，张利国，赵卫鸣，张莉.MDI的改性对高回弹聚氨酯泡沫阻燃性的影响研究[J].聚氨酯工业，2018，33（03）：20-23.

[3]黄晓东，林巧佳.纳米SiO2和发泡剂对聚氨酯防火涂料阻燃性能的影响[J].安全与环境学报，2007（03）：94-97.

作者简介：

康铭洋（1997—），女，满族，河北承德人，2020年本科畢业于华北理工大学，就读于华北理工大学安全工程专业二班。

赵恒泽（通信作者）（1988—），女，山西运城人，华北理工大学安全工程专业讲师。

基金项目：

河北省自然科学基金项目（No.E2018209338）