典型热塑性材料燃烧特性概述

典型热塑性材料燃烧特性概述热塑性材料由于其具有加工方便、质量轻、防水、防腐蚀且价格低廉等优点，已被广泛用于家具、内装修及建筑外保温等领域。然而，由于热塑性材料特殊的物理化学性质，受热易软化熔融并产生滴落或流动，形成壁面火或油池火，从而加快火灾蔓延速度，扩大火灾面积，极大地提高了火灾危险性。1 热塑性材料火灾危险性热塑性材料在现代人类日常生产生活中扮演着十分重要的角色，以室内装饰材料为例有：用于顶棚装修的木龙骨、泡沫塑料板；用于墙面装修的可燃墙纸、墙布；用于地面装修的地毯；用于隔断装修的胶合板、纤维板；用于沙发、卧具的聚氨酯泡沫塑料等。由于含有C、H、O等助燃性元素，大部分热塑性材料都具有热解性和燃烧性，可见热塑性材料在给予人们方便美观的同时，也增加了建筑的火灾荷载，带来了巨大的火灾隐患。近年来国内许多大型火灾事故都与热塑性材料密切相关。例如：1、2000年12月25日晚，河南洛阳东都商厦发生特大火灾，309人死亡，直接经济损失275万元。火灾是因该商厦地下一层非法施工、施焊，人员违章作业，电焊火花溅落到地下二层家具商场的沙发和塑料泡沫等物品上造成的。2、2009年2月9日晚，央视新大楼北配楼发生火灾，直接经济损失1。6亿元，造成了严重恶劣的社会影响，其主要原因是外立面保温材料（热塑性材料）被烟花引燃，可燃物熔融燃烧后向下流淌，形成了火势由上向下、由外向内蔓延的特殊燃烧现象。热塑性材料火灾危害性表现在四个方面：一是增加建筑物火灾荷载；二是火焰可通过可燃物表面蔓延，热塑性材料还会形成流动的液体，扩大了火灾范围；三是加速火灾到达轰燃时间；四是热塑性材料燃烧产生的大量有毒性气体和烟雾。2 研究现状热塑性材料参与的火灾过程是极为复杂的，不仅与材料的热解机理、点燃特性和火蔓延特性有关，而且与室内环境包括室内的温度、热辐射强度和烟气流动等因素密切相关2。目前国内外针对几种典型热塑性材料如PP（聚丙烯）、PE（聚乙烯）、PS（聚苯乙烯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）和PVC（聚氯乙稀）的研究主要有：2.1 小尺寸模拟实验早期对热塑性材料的研究工作大多针对PMMA和PU等在燃烧过程中不会出现熔融流淌行为的材料，所得结论并不适用于大多数典型热塑性材料。近年来，对于热塑性材料熔融滴落等燃烧行为的研究逐渐开展起来，主要通过多种热分析仪器如锥形量热仪、热重仪，测得材料的热释放速率、辐射热通量、质量损失速率、发烟量、烟气毒性、减光性以及点燃特性等，以分析典型热塑性材料的热解动力学行为。但由于聚合物自身的化学特性，无法保证材料各动力学参数的完全一致。国内外专家有关热塑性材料燃烧特性和规律的理论与实验研究成果非常丰富。如Ohlemiller等人利用小尺寸实验对聚合物粘性对熔融流动与可燃性进行了研究，研究了点火源与材料的间距、点火源的高度和材料与底部距离对火灾过程的影响。青岛科技大学张军在早期研究工作的基础上，对常见的热塑性材料的燃烧行为进行了实验研究，初步分析了熔融流动对向上火蔓延规律的影响，并且提出了利用锥形量热仪确定热塑性材料导热系数的方法。但是小尺寸实验与实际火灾情况差距相去甚远，只能为理论研究提供实验条件下的数据，适用于特定条件下热塑性材料燃烧性能之间的对比，不能作为材料在实际火场中燃烧行为的评估标准。2.2 大尺寸模拟实验由于热塑性材料特殊的物理化学性质，燃烧过程中可能出现熔融、滴落、坍塌等现象，而小尺寸实验无法完全展现出来，不能反映真实火灾情况。因此专家学者也设计并开展了一系列大尺寸的模拟实验，深入了解和分析热塑性材料的火灾行为。如Sherratt等人搭建了 Sedan and Kebab实验装置对热塑性材料进行火灾研究，指出材料滴落形成的油池火极大的增大了热塑性材料燃烧过程中的热量释放，并阐述了油池火与本体材料燃烧的相互促进作用。徐亮、谢启源等人利用ISO9705实验平台及其配套装置，对PP、PE、PS、PMMA等热塑性材料在敞开空间条件下的燃烧行为进行了初步的实验研究。程旭东等人基于ISO9705设计并搭建实验平台，分析研究了不同火灾工况条件下的受限空间内热塑性材料燃烧行为的变化规律，并考虑样品厚度、通风状况等影响因素，建立受限空间内热塑性材料特殊燃烧行为的特征参数预测模型，与真实火灾条件下的实验结果进行了比较。火灾环境中热塑性材料燃烧行为比普通固体材料要复杂很多,它在受热时会经历熔融、热解、气化等过程，形成流动液体，导致壁面火和油池火两种燃烧形式同时存在且相互影响。其融流特性会增加火灾的危害程度，也可能通过流动行为减少火源附近可燃物的荷载从而限制火灾发展。因此热塑性材料的火灾行为是十分复杂多变的，受环境因素的影响比热固性材料大得多，而热塑性材料的燃烧模型研究工作尚处于起步阶段,目前的研究也仅局限于小尺寸的二维热解过程，尚未建立成熟的热塑性材料燃烧模型。3 典型热塑性材料热解特性热塑性材料的燃烧过程可以划分为五个阶段：加热溶融、热分解、着火、燃烧和火焰传播。热塑性材料受热后温度升高，发生软化并熔融，其升温速率和材料的比热容、热导率以及材料发生物理化学变化过程吸收或放出热量的大小有关系；当温度升高到热分解或降解温度时，材料内部化学键开始断裂，生成可燃挥发物；热分解生成的可燃的挥发性气体在氧气充分的条件下，就可能受热着火；着火后能否维持持续的燃烧则取决于燃烧净值，即材料单位质量的燃烧热与加热单位相邻区域材料到达燃烧状态所需要的热量之差；材料继续燃烧时，首先发生燃烧的表层材料的燃烧火焰会向周围扩散。在这五个阶段中，加热熔融及热分解阶段决定了材料在火灾中的滴落流淌性能1。热塑性材料在氧和高温作用下化学键出现全面断裂，导致材料物理化学性质显著改变，此过程被称为热塑性材料的氧化热解。受热过程中，环境温度低于玻璃态温度（Tg）时，材料一般呈现刚硬特征；温度在玻璃态温度和粘流温度（Tf）之间时材料呈现高弹态；温度若高于粘流温度，分子链作为一个整体可以相对滑动,在外力作用下,热塑性材料会像液体一样粘性流动,此时形变不可逆,称为粘流态。由于出现化学键断裂，热塑性材料的高分子将断裂成不同组分的小分子片段，每种小分子片段各有其物化特征，对于整个材料的燃烧特性将有复杂的影响。热塑性材料在燃烧条件下的热解机理大致有以下五种：解聚或拉锁反应、随机断裂、消除反应、交联反应和环化反应，大多数热塑性材料(PP、PE、PET等)都属于随机断裂3。4 典型热塑性材料火灾特性全尺寸实验是研究材料火灾行为特性的重要方法之一，其结果相对与中小尺寸实验更加贴近于真实火灾情况。目前针对热塑性材料的大尺寸实验主要有ISO9750墙角火实验、基于ISO9750搭建实验平台的敞开空间实验和基于ISO9750搭建实验平台的封闭空间实验三类。研究结果表明，热塑性装饰材料存在两种燃烧形式，一种是流动燃烧，即形成油池火；一种是固体表面燃烧。油池火的发展控制流动燃烧过程，壁面火蔓延控制固体表面燃烧过程。流动燃烧中油池火所需的燃料通过两种方式获得：一是热塑性材料在热的作用下形成熔融的液体通过流动方式进入油池；二是热塑性材料受热变形，跌落进入油池4。热塑性材料火灾发展的主要影响因素有材料性质、尺寸、样品与油盆之间的距离、点火源轻度、通风条件等。其中通风条件对受限空间火灾发展过程影响更为显著。初步分析表明，材料的燃烧形式可能与材料的热解机理有关，以无规断裂为主要热解机理的材料在火灾中会表现出流动燃烧的形式，以解聚反应或消除反应为主要热解机理的材料在火灾中会表现出固体表面燃烧的形式5。5 结束语热塑性装饰材料因其质轻、便宜、加工方便和防水、耐腐蚀等优点，在建筑中得到了广泛的应用。然而热塑性装饰材料因其物理化学特性，在燃烧过程中会出现熔融流淌行为，形成壁面火和油池火，为火灾向邻区发展提供通道，扩大火灾面积并强化室内火灾，加速室内火灾的发展过程。热塑性材料火灾的一个最重要的特征就是固体壁面火和液体油池火同时存在且相互影响，这也是实验研究的一个难点，但目前的燃烧模型还无法模拟这种复杂的火灾过程。由于热塑性材料还没有统一的测试标准,目前的研究装置和方法都是学者自行设计，这给研究成果的可以移植性和通用性带来了很大的困难,因此确定合适的热塑性材料测试方法，制定统一的测试标准是十分必要的。