典型阻燃材料火灾毒性烟气释放规律研究进展

王霁，杨永斌

(1.中国人民警察大学防火工程学院，廊坊 065000; 2.中国人民警察大学涉外安保学院，廊坊 065000)

自20世纪60年代以来, 人们逐渐认识到为了减少火灾的发生，必须对易燃和可燃材料进行阻燃处理，这使得阻燃材料得到异常迅速的发展。材料经过一定的阻燃处理之后，其引燃和火焰蔓延的难度均有所增加，热释放速率和总热释放量有所降低，因此为降低火灾事故的发生以及小火转变为大火起到了积极的作用。

对于火灾造成的危害，主要体现在两个方面：一是以热释放速率为表征的火灾的热危害；二是以火灾烟气毒性为表征的火灾的非热危害。且从火灾死亡原因统计数据来看，火灾中70%～80%的受害者是由于吸入有毒烟气导致的，因此火灾的非热危害对人员的威胁更为严重。但是对材料进行阻燃处理并不是万全之策，在较高的热辐射或环境温度下，阻燃材料仍然能够发生燃烧，而此时火灾可能已经处在发展的中后期，由燃料控制逐渐转变为通风控制，氧气供给不充分，加之阻燃材料本身所含阻燃剂的抑制作用，使得材料燃烧不完全，进而产生更多的不完全燃烧产物，如CO、HCN、氢卤酸、丙烯醛等。这些气体产物对火场中的人员产生窒息或刺激性作用，使其中毒，失去行为能力甚至死亡。

对于材料燃烧及热分解时会产生有毒物质，人们早已有所认识并展开了广泛而深入的研究。然而对于阻燃材料而言，大家关注更多的是材料阻燃后的热性能，如引燃时间、蔓延速度、热释放速率、氧指数等等。随着阻燃材料的广泛应用，以及对大量火灾统计数据的分析，阻燃材料的火灾毒性问题逐渐引起了相关领域学者的重视，但从近期中外的相关研究和规范标准来看，各研究者的着眼点相对单一，多数仅针对一种阻燃材料以及特定的燃烧条件进行烟毒性分析，涉及的测试和评估方法也较单调，缺乏系统性和综合性。为此，从材料的阻燃及阻燃材料的应用领域为切入点，总结分析了阻燃材料火灾烟气毒性的相关测试方法、影响因素、实验及评估模型等研究结果，介绍了阻燃抑烟材料的开发情况，并提出了典型阻燃材料火灾毒性烟气释放规律研究方面存在的有待进一步解决的问题和可行的方法，以期为科学、全面的评价材料的火灾危险性提供研究参考。

1 材料的阻燃及应用

1.1 阻燃剂和材料阻燃方法

为了减少火灾损失，提高人类环境安全水平，人们在选择不同用途的材料时，阻燃已成为经常考虑的重要因素之一，材料的阻燃技术经过长期的发展也日臻完善和成熟。通常情况下，按使用方法的不同，阻燃剂可分为：添加型阻燃剂和反应型阻燃剂[1-2]。添加型阻燃剂主要是通过在可燃物中添加阻燃剂发挥阻燃剂的作用，反应型阻燃剂则是通过化学反应在高分子材料中引入阻燃基团，从而提高材料的阻燃性能，起到阻止材料被引燃和抑制火焰的传播的目的。在这两类阻燃剂中，添加型阻燃剂占主导地位，使用的范围比较广，约占阻燃剂的85%，反应型阻燃剂仅占15%。根据阻燃剂的成分组成，阻燃剂可分为卤系阻燃剂(有机氯化物和有机溴化物)、磷系阻燃剂、氮系阻燃剂、硅系阻燃剂、硼系阻燃剂等[3]。虽然随着阻燃剂行业的无溴化发展，中国的阻燃剂产品结构在不断的调整，但相对于欧美等国家来说，中国的阻燃剂市场中溴系阻燃剂的比例还是偏高，现阶段中国溴系阻燃剂应用比例约为40%[4-6]。

从阻燃机理来看，阻燃剂对材料的阻燃作用主要是通过以下3种途径来实现的：一是凝聚相阻燃，指在凝聚相中通过延缓或中断固相材料的分解和可燃性气体的产生而达到阻止燃烧的目的；二是气相阻燃，是指通过抑制燃烧反应链增长的自由基而发挥阻燃功能；三是中断热交换阻燃，是指将聚合物燃烧产生的部分热量带走而降低被阻燃材料的吸热量，致使被阻燃材料不能维持热分解温度，不能持续提供燃烧赖以进行的可燃性气体，于是燃烧自熄。

常见可燃物的阻燃处理通常依据材料本身的结构特点和阻燃性能的要求，具有多种不同的方法。如对木材的阻燃，包括深层处理(浸渍和浸注)、表面处理(使用阻燃涂料)、贴面处理、添加阻燃剂等[7]；对纺织品的阻燃处理，包括对织物的阻燃整理和对纤维的阻燃整理[8]；对塑料的阻燃主要通过以下方法处理，将阻燃性较差的与阻燃性较好的高聚物按适当比例进行共混，在高聚物中添加阻燃剂以及惰性的无机填料，在基础聚合物上用阻燃性好的单体进行接枝共聚[9-11]。

1.2 阻燃材料的应用

随着人们安全意识的提高，对材料的阻燃要求也逐渐得到重视，特别是国家强制性标准《公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求和标识》(GB 20286—2006)[12]颁布实施以来，阻燃产品的种类、场所涵盖范围均有所增加，阻燃材料的性能也更加规范。该规范中的公共场所不仅包括所有的人员密集的休闲娱乐等公众聚集场所，而且还包括了商场、宾馆、医院、学校、车站、码头以及公共图书馆、展览馆和具有火灾危险性的文物保护单位等公共场所，最大范围地涵盖了人员密集或可能密集的场所。另外，规范中阻燃制品和组件涵盖的范围也很广，几乎包括了此类场所可能涉及的所有可燃物，如装饰墙布(毡)、窗帘、帷幕、装饰包布(毡)、床罩和家具包布等织物；电线导管、燃气导管、插座、开关、灯具、家电外壳等塑料和橡胶制品；座椅、沙发、床垫等软垫家具中所用的泡沫塑料；床、床垫、接线柜、沙发、茶几、桌、椅等家具/组件；光纤电缆、通信电线电缆和电力电线电缆[13]。但是从该标准规定的阻燃等级的划分的判据来看，仍然以材料抵抗燃烧的能力为主要考查对象，此类场所可能会大量使用的阻燃家具及组件和塑料橡胶制品均没有设置烟气毒性的等级要求，虽然对阻燃织物、泡沫塑料和电线电缆这三类制品提出了烟气毒性的等级要求，但要求并不严格，阻燃2级的毒性等级为ZA3级，阻燃1级的毒性等级为ZA2级，且测定方法依据《材料产烟毒性危险分级》(GB/T 20285—2006)[14]，使用的测定方法具有一定局限性，不能很好地模拟阻燃材料燃烧时的高温、高辐射、低氧的环境条件，且试样量较小，而烟气的毒性具有累加性，当阻燃材料使用量较大时，仍然可能产生足够浓度的有毒烟气并使人受到伤害。

近年来，随着交通工具火灾的频发，阻燃织物在交通领域的使用也越来越广泛。《阻燃织物》(GB/T 17591—2006)也对交通工具内饰用织物的燃烧性能提出了具体要求，其阻燃等级分为 B1级和B2级，但分级标准中仍然没有对烟气毒性的要求[15]。

由此，阻燃材料的大量使用，虽然可以一定程度上减小火灾发生的概率，但是由于片面强调了材料的热危害，而对阻燃材料在大火情况下毒性产物释放规律的研究还不够深入，使得人们无法对阻燃材料使用场所进行科学、客观、全面的安全评价，低估或错误判断了火灾造成的危害，尤其对公共场所而言，人员较密集，疏散困难，一旦发生较大火灾，如果因阻燃材料燃烧而增加了毒性气体的释放量，必将造成更大的人员伤亡。

2 阻燃材料火灾烟气毒性相关研究

2.1 烟气非热危害的标准测试方法

烟气的非热危害往往体现在遮光性和毒性两个方面，因而国内外对烟气的测试和评价的标准方法也基本上围绕着这两个方面展开的。如关于烟气的遮光性测定方面，《塑料.烟雾产生.第2部分：用单燃烧室试验测定光密度》(ISO 5659-2—2017)、《飞机材料燃烧烟密度测试》(ASTME 662—2017)、《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》(GB/T 8627—2007)都是通过使用烟密度箱，来对材料燃烧后的烟密度进行测定的标准方法。这些方法是通过测量材料燃烧产生的烟气中固体尘埃对光的反射而造成光通量的损失来评价烟密度大小的，以最大烟密度值MSD和烟密度等级SDR两个参数来对烟密度的大小进行评价。卜庆伟等[16]选取丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、氟醚橡胶4种飞机典型密封材料作为研究对象，利用烟密度箱在热辐射强度为25 kW/m2，对应温度为 902 ℃的条件下，对这些材料的无焰发烟特性进行了研究，测试发现丁腈橡胶的最大烟密度值最大，为751.85，氟醚橡胶的最大烟密度值最小，为228.93，硅橡胶和氟橡胶居中，测试结果为飞机密封材料的选型提供了数据参考。另外，烟密度测试方法还适用于具有较大或显著表面面积的产品，如墙面、地面材料等。

关于火灾烟气的毒性作用方面，测定过程中一般使用管式炉，通过控制炉内温度和通风量来模拟不同火灾场景[17]，产生的烟气通入动物染毒箱，根据动物的反映情况来评价烟气毒性的大小，但这种方法并不能从机理上解释毒性气体的成分和浓度，为了解决这个问题，可以将管式炉内的烟气通入气体分析仪，如傅里叶变换红外光谱分析仪、气相色谱仪等，可以定性定量的分析火灾烟气的成分和浓度，从而较好地解决了烟气毒性评价中，烟气制取和毒性定量评价这两个难题。相关的标准方法有《稳态管式炉测试火灾烟气毒性》(ISO 19700)、《通风条件下材料热分解产物及其毒物学检验》(DIN 53436)、《材料产烟毒性危险分级》(GB/T 20285)。应用这些方法进行测试时，由于石英舟/石英管的尺寸相对较小(直径为36 mm)，被测试样的质量也受到一定限制，一般在10～20 g。所以该类方法主要适用于一些体积相对较小的试样，如小型塑料按钮等，或者材质相对单一的材料或制品，如窗帘、卷帘、门窗密封条等。何瑾等利用标准静态管式炉和动物暴露染毒法并与FTIR(Fourier transform infrared)烟气成分分析仪联用，对橡胶地板、窗帘、门窗密封条、管道、有机玻璃、阻燃泡沫6种城市轨道客车用内装材料的产烟毒性进行了对比，测试过程中监测了丙烯醛、CO2、CO、甲醛、HBr、HCl、HCN、HF、NO、NO2、SO211种气体的瞬时浓度。结果发现，橡胶地板、窗帘、管道、有机玻璃产烟毒性较小，均通过了ZA1级，而门窗密封条和阻燃泡沫产烟毒性较大，均未能通过ZA2级；成分分析法低估了门窗密封条和阻燃泡沫的毒性，高估了有机玻璃的毒性。因此提出了使用FED(fractional effective dose)值与动物暴露染毒相结合的方法对城轨客车内装材料产烟毒性进行评价的建议[18]。

另外，一些主要用来测定材料燃烧放热参数的实验方法也可以同时测定烟气的光密度和毒性气体的产量，如锥形量热仪[《对火反应试验—热释放、产烟量及质量损失率》(ISO 5660)]、单体燃烧试验[《建筑制品对火反应试验—不含铺地材料的建筑制品单体燃烧试验》(EN 13823)、《建筑材料或制品的单体燃烧试验》(GB/T 20284)]、全尺寸房间燃烧试验[《全尺寸房间墙角火试验》(ISO 9705)]等，但这些测试方法仅能对CO和CO2的产生情况进行测定，且实验条件相对单一，无法模拟通风不良的火灾场景[19]。以上三类测试方法中，锥形量热仪法为小尺度实验方法，试样尺寸为10 cm×10 cm，因此适用于材质单一或均匀的材料及制品，张旭等利用锥形量热仪研究了DAPCO 2200飞机指定火区密封胶的CO产生速率，结果表明：该密封胶的CO产生速率的峰值随热辐射强度的增加而增大，35 kW/m2时第一阶段的CO产率峰值为 0.000 6 g/s，比飞机用普通硅橡胶降低了13.3倍，从而说明DAPCO 2200 密封胶危险性相对非常小[20]。单体燃烧试验为中尺度实验方法，适用于平板类的墙面敷设材料。全尺寸房间燃烧试验则为大尺度实验方法，可以对火场中的各种制品按照实际尺寸和摆放布置进行测试，测试结果更加符合火场的真实情况。刘万福等利用全尺寸实验装置，对比研究了组合家具与单体家具燃烧的区别，结果发现，组合家具燃烧不同于单体家具，其燃烧过程中各个家具的燃烧相互影响相互促进，与火场情况更加贴近，因此燃烧结束后的痕迹分析可以为火灾鉴定提供参考依据[21]。

2.1.3 UDPGA辅酶溶液 精密称取UDPGA适量，临用前用水溶解并定容，配制成浓度为5 mmol/L的UDPGA辅酶溶液。

以上各种不同的标准测试方法，由于测试原理、尺度以及对应的火灾场景的不同，其测试结果之间往往也存在一定的差异。

2.2 烟气毒性影响因素

材料燃烧过程中产生的烟气成分受多种因素的影响，如材料组成和结构、燃料/空气等值比、燃烧温度、火焰区域氧浓度等[22-24]，而后三者综合起来对应的正是火灾场景的特征要素。如在通风良好的燃烧条件下，氧气充足，生成完全燃烧产物CO2和H2O，在通风不良的燃烧条件下，由于氧气供应不足，燃烧效率低，燃烧区域温度也较低，不完全燃烧产物明显增多。大量实验数据表明，材料在通风不良情况下的有焰燃烧产生的烟气毒性远高于其他阶段[25-27]。Jerzy等[28]研究了房间密封程度对燃烧毒性气体产量的影响，实验分别在两个房间内进行，一个房间密封良好(实验Ⅰ)，另一个房间的窗户处于半开状态(实验Ⅱ)，经测试，距房间窗口约1 m的位置，不同毒性气体的最高浓度及达到该值的时间如表1[28]所示，说明增加房间的密封性可能会增加火灾时的环境毒性。

表1 两次实验条件下不同有毒气体浓度的最大值及达到该值的时间[28]

无焰阴燃阶段产生的烟气毒性虽然更高，但是其燃烧速度很慢，因此综合起来其火灾危险性仍然低于通风不良的有焰燃烧阶段。材料经过阻燃处理后，与普通可燃或易燃材料相比，更加难以被引燃，因此其燃烧时的环境条件与普通材料存在较大差异，可能是在燃烧的后期，即通风不良情况下的有焰燃烧阶段发生燃烧，同时由于阻燃剂中所含的卤、磷、氮等元素，均会增加火灾烟气的毒性[29]。因此，用于非阻燃材料火灾烟气的测试方法和释放规律并不适用于阻燃材料，这为阻燃材料烟气毒性的准确评价和客观认识带来了一定的困难。

2.3 普通材料火灾烟气毒性相关研究

材料火灾烟气的毒性早已引起了人们的关注，并取得了大量成果。Anna等[30]从火灾烟气的毒性作用、测试方法、评估方法、模拟技术、相关规范等方面，全面介绍了火灾烟气的毒性特点。Anna[31]还指出，虽然火灾毒性导致的人员伤亡所占比例很大，但在该领域的相关研究远远不足，并从火灾场景、不同毒性产物的毒性评估、小尺度与大尺度试验、材料的阻燃等方面对火灾毒性进行了综述介绍。胡定煜[32]从火灾烟气毒害作用机理、评估方法、烟气生成及相互作用、控制技术等方面介绍了火灾烟气的危害和控制。还有很多学者或者仅针对烟气毒性，或者作为材料燃烧性能中的一个方面，对某些特定材料的火灾烟气毒性及机理进行了广泛的研究和分析。Anna等[33]使用稳态管式炉，通过控制炉温和通气量，分别模拟试样在阴燃和有焰燃烧(氧气充足和不充足)的火灾场景，研究了6种建筑保温材料的烟气毒性情况，实验发现，各材料烟气毒性顺序由小到大依次为石棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫、聚氨酯泡沫、聚异氰酸酯泡沫。葛欣国等[34]分别利用极限氧指数、垂直燃烧性能、材料燃烧总热值及微型量热测试，热重红外联用(thermogravimetric-Fourier transform infra-red，TG-FTIR)分析，小白鼠动物染毒试验，系统对比研究了模塑聚苯乙烯泡沫(EPS)、硬质聚氨酯泡沫(PUF)及酚醛泡沫(PF)3种常见有机保温材料的燃烧性能、热稳定性、气相分解产物及产烟毒性，测试发现EPS燃烧时释放的热量最大，但其烟气毒性等级为ZA1级，而PUF和PF均为WX级。Robert等[35]根据ISO 9705中的实验室尺寸，搭建了带走廊的全尺寸封闭实验室，模拟通风不良时的火灾场景，对4种普通高分子材料(低密度聚乙烯、有机玻璃、聚苯乙烯、尼龙6.6)的燃烧烟气毒性进行了测定，发现CO产量为0.1～0.25 g/g，PA6.6的HCN产量为0.01～0.02 g/g，并指出小尺度实验测得的同类材料的烟气结果，如稳态管式炉和火焰蔓延仪，与该全尺度测试结果的吻合性较好。Amandine等[36]利用火焰蔓延仪实验测定了真实火灾场景下锂离子电池燃烧时毒性气体的释放情况，指出毒性气体的临界值与电池电解质的种类(LiPF6主要毒性气体产物为HF，LiFSI为HF和SO2)和充电量有关。邵龙庆等[37]依据《材料产烟毒性危险分级》(GB/T 20285—2006)，对强化木地板、聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)板材和腈纶窗帘这三种常用室内装潢材料进行了燃烧烟气毒性测试，结果发现腈纶窗帘的毒性是 PVC 板材的1.9倍，PVC板材是强化木地板的3.1倍，强化木地板为ZA2级、PVC板材为ZA3级，腈纶窗帘属为WX级。康茹雪[38]通过改变辐射热流密度和环境压力对黑色丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)的着火行为和毒性气体释放进行了实验研究，对不同环境压力下CO的释放特性进行了分析，并对其毒性进行了评价，揭示了浓度和人员的暴露时间和失能情况的关系，热解过程中材料的着火会影响环境中的CO浓度，在30～50 kW/m2热流密度下，实验舱内的CO体积浓度与环境压力成反比关系。由于电缆往往敷设在较为封闭的空间，燃烧时氧气供给不足，且某些电缆所含的可燃材料本身就含有卤素，使得电缆在火灾中释放的烟气的毒性也较普通材料大，因而相关研究也较多[39-41]。Richard等[42]对电缆产烟量的大尺度和小尺度实验结果进行了对比分析，发现两者相关性较强，小尺度实验结果可以较好地反映电缆火灾的真实情况。Benjamin等[43]对不同类型的汽车燃烧时释放的毒性烟气进行了全尺寸实验研究，指出汽车燃烧时会产生多种毒性气体，且主要是酸性气体，并建议在对排烟系统进行设计时，最好以实际试验结果为参考依据，而不是规范中规定的不变参数值。何瑾等[44]对城市轨道客车内装材料的烟气毒性进行了较全面的测试和分析，指出城轨客车内装材料燃烧烟气中主要含有CO、CO2、HCN、NOx、HCl，测试的10种城轨客车内装材料CIT(conventional index of toxicity)值均较低，都通过了《铁路车辆的防火保护—第2部分：材料和元件的防火要求》(EN 45545-2)烟气毒性测试；使用NBS产烟箱获得的燃烧烟气浓度几乎达到FTIR的检测下限，可能会导致测试数据误差较大，使用FED值与动物暴露染毒相结合的方法，对城轨客车内装材料产烟毒性进行评价更为科学[18,44]。马晓东等[45]从环境污染的角度指出了在防火及阻燃材料的质量检验过程中会产生大量含挥发性有机物(VOCs)的烟气，并结合实际工程应用经验，针对性地提出了该类废气的综合治理工艺。刘秀秀等[46]对某泡沫灭火剂和某S型气溶胶灭火剂在封闭空间灭火中产生的烟气成分及浓度进行了实测，并对烟气的成分及其毒性进行了分析结果表明，这两种灭火剂在封闭空间灭火中的烟气对人员是安全的。

2.4 阻燃材料火灾烟气毒性相关研究

关于阻燃材料燃烧过程中烟气毒性方面的研究，Sean等[47-48]对比分析了对家具阻燃具有严格要求的英国和没有阻燃要求的新西兰，在近几十年内每10万人火灾死亡人数的情况，发现英国的死亡人数并没有比新西兰明显降低，而在对不同阻燃情况的软垫类家具进行测试后，指出经过阻燃处理的沙发床难于引燃，但燃烧时释放的CO和HCN显著高于未阻燃的沙发床，并认为通过对材料进行阻燃来降低火灾死亡人数的方法是有问题的，这一结论虽然引起了一些学者和阻燃材料厂商的异议，但仍然提醒大家要重视材料阻燃后烟气毒性带来的更大的伤害。Shirley等[49]研究了气相阻燃剂对脂肪族聚酰胺产烟毒性的影响，结果发现含磷阻燃剂的材料燃烧时CO和HCN的增加量远低于含锑-溴阻燃剂的增加量，测试后认为CO和HCN在火焰早期形成，且OH自由基对这两种气体的破坏具有关键性作用，磷阻燃剂在降低H、O自由基的浓度时，并不会使OH自由基减少，而溴阻燃剂则会同时使3种自由基的浓度降低。另外，磷阻燃剂在较低温度即火焰形成初期就会产生抑制作用，因而不会明显提高CO和HCN的产量。Zhang等[50]利用稳态管式炉研究了膨胀阻燃剂和碳纳米管对聚丙烯(PP)燃烧烟气毒性的影响，发现无论是膨胀阻燃剂还是碳纳米管的填加，都会使PP燃烧时CO的浓度显著增加，且随着燃烧等值比的变化，碳纳米管对PP燃烧时生成的烟气量和CxHy的浓度的影响也将发生变化，此外，其还对PP/Metal Oxides(MOs)纳米复合材料的烟气毒性进行了测试和分析，结果发现MOs在PP燃烧过程中发挥出了较为明显的催化氧化作用，有效地降低了烟密度和可燃性碳氢化合物气体，其中除Co3O4提高了CO释放外，另3种MOs都对CO有一定的程度的催化氧化。TNT在低添加量条件下对复合材料的抑烟减毒效果最佳[17]。任小男[51]对ABS及ABS/MMT(montmorillonite)和ABS/CNT(carbon nanotube)纳米复合材料进行了不同温度和通风条件下的稳态管式炉实验，发现在通风良好625 ℃时，MMT和CNT的加入会降低CO的产量，其他情况下，使用纳米添加剂对火灾有毒气体产量的影响不大，特别是对于危险性较大的通风不良的火灾阶段。韩峥等[52]对不同阻燃程度有机玻璃钢的火灾危险性进行了测试分析，发现卤素阻燃剂可能增大材料的产烟量，阻燃玻璃钢燃烧时CO气体浓度有明显的降低，而HBr气体浓度却增大了。赵冰冰[53]对常见纺织纤维热分解烟气产物进行了研究，结果发现，过阻燃整理的各织物的燃烧和裂解产物种类没有发生大的变化，含硼和含硅阻燃棉织物都起到一定的抑烟效果，但含氮磷阻燃棉产烟量增加，阻燃涤纶和阻燃羊毛织物相对其各自未阻燃物的产烟量都有所增加。王静等[54]在分析卤系阻燃材料阻燃机理的基础上，指出其烟气毒性较大，探讨了国内外在该领域中常见的一些毒性评估和实验方法，并阐明了阻燃材料烟气毒性研究领域今后的发展方向。王真[55]以锥形量热仪模拟火灾环境，结合气质联用仪、离子色谱仪、紫外可见分光光度计等手段，研究了3种木质材料不同燃烧条件下的发烟规律及烟气成分，探讨了阻燃氨基树脂对木质材料烟毒性的影响，测试发现阻燃木材无论在无机气体、有机气体还是颗粒物方面均较未阻燃的高。

2.5 材料火灾烟气毒性评估模型

火灾烟气毒性评估是火灾预防工作的一项重要内容，火灾烟气毒性定量评价是毒理学研究的一个新兴领域。常见的烟气毒性定量评价方法有N-Gas模型、FED(fractional effective dose)模型、TGAS(toxic gas assessment software)模型、HTV模型等[56]。也有很多学者对现有模型进行了改进和优化。Nam等[57]通过动物暴露染毒实验指出，燃烧产物中除了毒性气体之外，烟雾中的颗粒物也应该被考虑进来，且颗粒物尺寸的大小与其毒性危害的大小是相关的。Paul等[58]经过分析认为，燃烧产物中不同的氮的氧化物的毒性大小是有差异的，而在FED模型中，将所有氮的氧化物均按照NO2来计算，因此使用FED模型进行毒性定量评价时，需要区分不同氮的氧化物来分别计算。Richard等[59]以SBI(single burning item)实验结果为基础，提出了最大安全载荷的概念，即每100 m3空间中，可燃材料完全燃烧后产物毒性为安全情况下的材料最大面积，以此代替以质量损失为参考标准的半致死浓度LC50，更方便建筑设计及安全工程人员对建筑火灾安全性的评价。Daniel等[60]对火场中死者的血液进行检测，并认为血液中的碳氧血红蛋白并不能作为生命体征的标志性参数，而HCN浓度可以作为生命体征参数，且可以对致毒机理进行解释。李山岭等[61]针对以往烟气毒性定量评价方法N-Gas和FED模型的不足，提出了一种新的火灾烟气危害性定量评价模型THVCH(toxicity，heat and visibility comprehensive harmfulness)，该模型在考虑烟气毒性的同时兼顾了能见度对人员暴露时间的影响以及高温辐射对人体的伤害，使得评价结果更加全面客观。陈鑫宏等[62]也提出了类似的综合模型，并通过实验和计算认为火灾前期能见度是影响人员疏散的重要因素，后期热辐射和毒性权重上升，人员最佳疏散时间为90～320 s。顾彩虹[63]通过修改场模拟软件的源代码，引入EDC(eddy-dissipation concept)模型的模拟计算，获得了包括CO、CO2、O2、HCN的多组分火灾烟气浓度的时空分布，采用N-Gas模型评价的含有HCN气体的沙发作坊火灾烟气综合毒性评价结果与实际情况相符合，且HCN气体对于多组分烟气的耦合毒性的影响不可忽略，有时甚至起着至关重要的作用。陈亚锋[64]提出了一种基于火灾中有毒烟气对人员伤害累积效应的建筑排烟系统效能评估方法，分析计算结果表明，该评估方法从人员受伤害的累积效应角度，以定量的方式比较排烟 系统的排烟效能，为建立多技术协同作用下的火灾烟气控制效能评估模型与优化设计方案提供了参考。Hamid等[65]提出了一种融合模糊危害与可操作性技术、蚁群系统和模糊集理论的综合评价方法，来评估工业生产中涉及火灾、爆炸和有毒物质释放的耦合风险水平，为此类场所的定量安全评价提供了理论计算方法。

2.6 阻燃抑烟材料的开发

材料经过阻燃处理后，在提高其阻燃性能的同时，降低其火灾烟气毒性及产量也是阻燃剂开发的新方向。宋翔宇[66]从阻燃和抑烟减毒两个方面出发，采用纳米技术，使用膨胀石墨多孔材料为载体负载纳米氧化铜颗粒，再与聚磷酸铵协同阻燃环氧树脂，制备了高阻燃性低烟气毒性的环氧树脂材料，并提出了一种能够同时提高环氧树脂的阻燃性并降低烟气毒性的制备方法。马砺等[67]将阻燃剂三氧化二锑及羟基锡酸锌添加至PVC复合材料中，并研究其阻燃抑烟性能，发现当总添加量(质量分数)为12%，且质量比为1∶2时，烟释放速率峰值与总烟释放量分别下降了46.7%和10.4%。常唯淑[68]利用硼酸制得了改性的可膨胀石墨和氧化石墨，并对线性低密度聚乙烯和硬质聚氨酯泡沫进行了阻燃处理，测试发现阻燃后的材料不仅热释放速率有所降低，烟释放速率、CO和CO2的释放抑制作用也明显增强。

3 阻燃材料火灾烟气毒性未来研究方向

分析现有研究成果可以发现，阻燃材料火灾烟气毒性问题已经引起了人们的关注，但仍存在一些亟需解决的重点难点问题：从测试条件上看，现有的大多数测试方法与实际火灾场景相差较大，测试结果仅用于材料自身的烟气毒性评价或不同材料间的对比，而不能直接表征其在火灾中的真实对火反应行为；从研究的材料和阻燃剂种类来看，大多比较分散和单一，不够系统，即便是同一种材料，不同的实验条件、不同的生产批号或厂家，测试结果也会有显著的区别；从研究的理论深度上来看，对阻燃材料火灾烟气的释放规律和内在机理尚需进行深入全面的研究，从理论上分析阻燃材料火灾烟气的毒性特点；缺乏科学的针对阻燃材料火灾安全的评估方法，单就烟气毒性的评估方法而言，测试动物与人类反映之间的关联性还需进一步确认，另外从评估方法的综合性而言，需要同时兼顾材料的热危害和非热危害两个方面，提出更加全面、可靠的评估方法和模型。因此，认为在阻燃材料未来的研究过程中需要解决以下问题。

(1)探究公共场所常用阻燃材料燃烧毒性烟气的释放规律。现阶段公共场所大量使用阻燃材料，而阻燃材料与普通材料，以及不同材料常用的阻燃技术和阻燃剂往往存在较大差别，致使其在燃烧时产生的毒性烟气的组成和浓度也有所不同。系统研究分析公共场所常用阻燃材料燃烧毒性烟气的释放规律，为科学认识阻燃材料的火灾安全性，提高公共场所火灾安全水平，具有非常重要的意义。

(2)建立与阻燃材料燃烧时的火灾场景相符合的测试技术。对于评价材料燃烧性能的现有测试方法和标准，大多是针对普通材料而言的，或者重点考查的是材料的引燃和热量释放能力，而阻燃材料燃烧时的火场条件与普通材料完全不同，温度更高、氧浓度更低，因此需要建立与阻燃材料燃烧时相匹配的火灾条件，以提高测试结果的准确性。

(3)在进一步完善评估模型的基础上，确立便于使用和操作的公共场所阻燃材料烟气毒性预测评估方法。现有材料烟气毒性评价方法使用的是单一的材料、单一的评价时间段，且未考虑建筑的容积等问题，因此，确立便于使用和操作的公共场所阻燃材料烟气毒性预测评估方法，为此类建筑的设计师、安全工程师等人员准确进行火灾安全设计和评价具有重要的指导作用。

4 结论与展望

对可燃材料进行阻燃处理可以有效降低其燃烧中的热危害，但阻燃材料燃烧时由于燃烧环境中氧浓度较低以及阻燃添加剂的影响，使其燃烧产物的毒性可能会比未阻燃的材料大，因此典型阻燃材料燃烧烟气毒性方面的研究得到了广泛的关注。本文对常见的阻燃剂、阻燃方法和阻燃材料的使用环境进行了梳理，并从标准测试方法、实验研究和模型研究等多个角度，对典型阻燃材料烟气毒性相关的研究进行了综述。并指出未来可以从测试条件的真实性、材料种类的系统性、理论分析的科学性和评估方法的可靠性等几个方面进行深入广泛的研究，进而从整体上提高材料的火灾安全性能，确保人民生命财产安全。