典型熱塑性材料燃燒特性概述

1、典型熱塑性材料燃燒特性概述熱塑性材料由于其具有加工方便、質(zhì)量輕、防水、防腐蝕且價格低廉等優(yōu)點， 已被廣泛用于家具、內(nèi)裝修及建筑外保溫等領域。然而，由于熱塑性材料特殊的 物理化學性質(zhì)，受熱易軟化熔融并產(chǎn)生滴落或流動，形成壁面火或油池火，從而 加快火災蔓延速度，擴大火災面積，極大地提高了火災危險性。1熱塑性材料火災危險性熱塑性材料在現(xiàn)代人類日常生產(chǎn)生活中扮演著十分重要的角色，以室內(nèi)裝飾 材料為例有：用于頂棚裝修的木龍骨、泡沫塑料板；用于墻面裝修的可燃墻紙、 墻布；用于地面裝修的地毯；用于隔斷裝修的膠合板、纖維板；用于沙發(fā)、臥具 的聚氨酯泡沫塑料等。由于含有C、H、O等助燃性元素，大部分熱塑性材料都

2、具 有熱解性和燃燒性，可見熱塑性材料在給予人們方便美觀的同時，也增加了建筑 的火災荷載，帶來了巨大的火災隱患。近年來國內(nèi)許多大型火災事故都與熱塑性材料密切相關。例如：1、2000年12月25日晚，河南洛陽東都商廈發(fā)生特大火災，309人死亡， 直接經(jīng)濟損失275萬元?；馂氖且蛟撋虖B地下一層非法施工、施焊，人員違章作 業(yè)，電焊火花濺落到地下二層家具商場的沙發(fā)和塑料泡沫等物品上造成的。2、2009年2月9日晚，央視新大樓北配樓發(fā)生火災，直接經(jīng)濟損失1。6 億元，造成了嚴重惡劣的社會影響，其主要原因是外立面保溫材料（熱塑性材料） 被煙花引燃，可燃物熔融燃燒后向下流淌，形成了火勢由上向下、由外向內(nèi)蔓延

3、的特殊燃燒現(xiàn)象。熱塑性材料火災危害性表現(xiàn)在四個方面：一是增加建筑物火災荷載；二是火焰可通過可燃物表面蔓延，熱塑性材料還會形成流動的液體，擴大了 火災范圍；三是加速火災到達轟燃時間；四是熱塑性材料燃燒產(chǎn)生的大量有毒性氣體和煙霧。2研究現(xiàn)狀熱塑性材料參與的火災過程是極為復雜的，不僅與材料的熱解機理、點燃特 性和火蔓延特性有關，而且與室內(nèi)環(huán)境包括室內(nèi)的溫度、熱輻射強度和煙氣流動 等因素密切相關目前國內(nèi)外針對幾種典型熱塑性材料如PP （聚丙烯）、PE （聚 乙烯）、PS （聚苯乙烯）、PMMA （聚甲基丙烯酸甲脂）和PVC （聚氯乙?。┑难芯?主要有：2.1小尺寸模擬實驗早期對熱塑性材料的研究工作大多

4、針對PMMA和PU等在燃燒過程中不會出現(xiàn) 熔融流淌行為的材料，所得結論并不適用于大多數(shù)典型熱塑性材料。近年來，對 于熱塑性材料熔融滴落等燃燒行為的研究逐漸開展起來，主要通過多種熱分析儀 器如錐形量熱儀、熱重儀，測得材料的熱釋放速率、輻射熱通量、質(zhì)量損失速率、 發(fā)煙量、煙氣毒性、減光性以及點燃特性等，以分析典型熱塑性材料的熱解動力 學行為。但由于聚合物自身的化學特性，無法保證材料各動力學參數(shù)的完全一致。 國內(nèi)外專家有關熱塑性材料燃燒特性和規(guī)律的理論與實驗研究成果非常豐富。如 Ohlemiller等人利用小尺寸實驗對聚合物粘性對熔融流動與可燃性進行了研究， 研究了點火源與材料的間距、點火源的高度和

5、材料與底部距離對火災過程的影響。 青島科技大學張軍在早期研究工作的基礎上，對常見的熱塑性材料的燃燒行為進 行了實驗研究，初步分析了熔融流動對向上火蔓延規(guī)律的影響，并且提出了利用 錐形量熱儀確定熱塑性材料導熱系數(shù)的方法。但是小尺寸實驗與實際火災情況差 距相去甚遠，只能為理論研究提供實驗條件下的數(shù)據(jù)，適用于特定條件下熱塑性 材料燃燒性能之間的對比，不能作為材料在實際火場中燃燒行為的評估標準。2.2大尺寸模擬實驗由于熱塑性材料特殊的物理化學性質(zhì)，燃燒過程中可能出現(xiàn)熔融、滴落、坍 塌等現(xiàn)象，而小尺寸實驗無法完全展現(xiàn)出來，不能反映真實火災情況。因此專家 學者也設計并開展了一系列大尺寸的模擬實驗，深入了解

6、和分析熱塑性材料的火 災行為。如Sherratt等人搭建了 Sedan and Kebab實驗裝置對熱塑性材料進行 火災研究，指出材料滴落形成的油池火極大的增大了熱塑性材料燃燒過程中的熱 量釋放，并闡述了油池火與本體材料燃燒的相互促進作用。徐亮、謝啟源等人利 用ISO9705實驗平臺及其配套裝置，對PP、PE、PS、PMMA等熱塑性材料在敞開 空間條件下的燃燒行為進行了初步的實驗研究。程旭東等人基于ISO9705設計并 搭建實驗平臺，分析研究了不同火災工況條件下的受限空間內(nèi)熱塑性材料燃燒行 為的變化規(guī)律，并考慮樣品厚度、通風狀況等影響因素，建立受限空間內(nèi)熱塑性 材料特殊燃燒行為的特征參數(shù)預測模

7、型，與真實火災條件下的實驗結果進行了比 較。火災環(huán)境中熱塑性材料燃燒行為比普通固體材料要復雜很多,它在受熱時會 經(jīng)歷熔融、熱解、氣化等過程，形成流動液體，導致壁面火和油池火兩種燃燒形 式同時存在且相互影響。其融流特性會增加火災的危害程度，也可能通過流動行 為減少火源附近可燃物的荷載從而限制火災發(fā)展。因此熱塑性材料的火災行為是 十分復雜多變的，受環(huán)境因素的影響比熱固性材料大得多，而熱塑性材料的燃燒 模型研究工作尚處于起步階段，目前的研究也僅局限于小尺寸的二維熱解過程， 尚未建立成熟的熱塑性材料燃燒模型。3典型熱塑性材料熱解特性熱塑性材料的燃燒過程可以劃分為五個階段：加熱溶融、熱分解、著火、燃 燒

8、和火焰?zhèn)鞑ァ崴苄圆牧鲜軣岷鬁囟壬?，發(fā)生軟化并熔融，其升溫速率和材 料的比熱容、熱導率以及材料發(fā)生物理化學變化過程吸收或放出熱量的大小有關 系；當溫度升高到熱分解或降解溫度時，材料內(nèi)部化學鍵開始斷裂，生成可燃揮 發(fā)物；熱分解生成的可燃的揮發(fā)性氣體在氧氣充分的條件下，就可能受熱著火； 著火后能否維持持續(xù)的燃燒則取決于燃燒凈值，即材料單位質(zhì)量的燃燒熱與加熱 單位相鄰區(qū)域材料到達燃燒狀態(tài)所需要的熱量之差；材料繼續(xù)燃燒時，首先發(fā)生 燃燒的表層材料的燃燒火焰會向周圍擴散。在這五個階段中，加熱熔融及熱分解 階段決定了材料在火災中的滴落流淌性能。熱塑性材料在氧和高溫作用下化學鍵出現(xiàn)全面斷裂，導致材料物理化

9、學性質(zhì) 顯著改變，此過程被稱為熱塑性材料的氧化熱解。受熱過程中，環(huán)境溫度低于玻 璃態(tài)溫度（Tg）時，材料一般呈現(xiàn)剛硬特征；溫度在玻璃態(tài)溫度和粘流溫度（Tf） 之間時材料呈現(xiàn)高彈態(tài)；溫度若高于粘流溫度，分子鏈作為一個整體可以相對滑 動，在外力作用下,熱塑性材料會像液體一樣粘性流動，此時形變不可逆,稱為粘 流態(tài)。由于出現(xiàn)化學鍵斷裂，熱塑性材料的高分子將斷裂成不同組分的小分子片 段，每種小分子片段各有其物化特征，對于整個材料的燃燒特性將有復雜的影響。 熱塑性材料在燃燒條件下的熱解機理大致有以下五種：解聚或拉鎖反應、隨機斷 裂、消除反應、交聯(lián)反應和環(huán)化反應，大多數(shù)熱塑性材料（PP、PE、PET等）都屬

10、 于隨機斷裂。4典型熱塑性材料火災特性全尺寸實驗是研究材料火災行為特性的重要方法之一，其結果相對與中小尺 寸實驗更加貼近于真實火災情況。目前針對熱塑性材料的大尺寸實驗主要有 ISO9750墻角火實驗、基于ISO9750搭建實驗平臺的敞開空間實驗和基于ISO9750 搭建實驗平臺的封閉空間實驗三類。研究結果表明，熱塑性裝飾材料存在兩種燃 燒形式，一種是流動燃燒，即形成油池火；一種是固體表面燃燒。油池火的發(fā)展 控制流動燃燒過程，壁面火蔓延控制固體表面燃燒過程。流動燃燒中油池火所需 的燃料通過兩種方式獲得：一是熱塑性材料在熱的作用下形成熔融的液體通過流 動方式進入油池；二是熱塑性材料受熱變形，跌落進

11、入油池。熱塑性材料火災 發(fā)展的主要影響因素有材料性質(zhì)、尺寸、樣品與油盆之間的距離、點火源輕度、 通風條件等。其中通風條件對受限空間火災發(fā)展過程影響更為顯著。初步分析表 明，材料的燃燒形式可能與材料的熱解機理有關，以無規(guī)斷裂為主要熱解機理的 材料在火災中會表現(xiàn)出流動燃燒的形式，以解聚反應或消除反應為主要熱解機理 的材料在火災中會表現(xiàn)出固體表面燃燒的形式。5結束語熱塑性裝飾材料因其質(zhì)輕、便宜、加工方便和防水、耐腐蝕等優(yōu)點，在建筑 中得到了廣泛的應用。然而熱塑性裝飾材料因其物理化學特性，在燃燒過程中會 出現(xiàn)熔融流淌行為，形成壁面火和油池火，為火災向鄰區(qū)發(fā)展提供通道，擴大火 災面積并強化室內(nèi)火災，加速室內(nèi)火災的發(fā)展過程。熱