火灾化学―第十三讲

第六章材料的火灾安全性评价材料：指包括金属、无机非金属、有机聚合物在内的各类化学物质，已广泛应用于人类生产生活的各个方面。但是，无论是聚合物材料还是无机材料，将其暴露于火灾中时，都会引发或遭遇一些危害。对于聚合物材料，由于其结构组成中不可避免地存在C、H、O等阻燃性元素，在外界热源或火源诱导下，很容易发生燃烧并释放热核有毒气体，从而引发火灾并带来危害。对于无机材料，如现代建筑中大量使用的钢结构或钢筋混凝土结构，虽然本身并不可燃，然而易在火场高温作用下屈服，导致坍塌等严重事故。因此，对材料的火灾安全性进行分析和评价，是一项必不可少且非常重要的工作，它为材料的合理化设计和安全应用提供理论和实践指导。第一节概述一、基本概念1.对火反应特征材料在火灾中的行为是指材料遇火时对火的反应特征。一般而言，聚合物材料在火灾中的行为可以用以下参数来描述：被引燃的难易程度；火焰传播速率，即火焰沿材料表面的蔓延速率；耐火性；热量释放速率；自熄的难易程度；生烟性，包括生烟量、烟的释放速率及烟气组成，特别是有毒气体或腐蚀性气体含量等。无机材料在火灾中虽不能燃烧，但其在火灾高温下的屈服、坍塌或爆裂所造成的危害比聚合物材料有过之而无不及。评价无机材料的火灾安全性，耐火性能是一项非常重要的指标。由以上分析可见，材料对火反应特性是指表征材料受火时产生的系列性能，包括可燃性、续燃性、火焰蔓延性、放热性、发烟性、产毒性、耐火性等。2.火灾危险性可燃材料的火灾危险性主要表现在：热危险性如在火灾中释放大量热量，通过热传导、热对流和热辐射等形式将火势扩大，对人员造成灼伤或对建筑结构造成损坏。非热危险性（烟、毒、腐）如在火灾现场释放大量浓厚烟雾，干扰视线和人员疏散；产生毒性产物和窒息性产物，直接威胁人员生命安全；产生刺激性或腐蚀性产物，危害人员皮肤、眼睛瞪器官或金属物品。3.潜在火灾危险性在发生火灾以前，可燃材料、构件、组件或制品的对火反应特性、危害和趋势性是潜藏的、未知的，称为潜在火灾危险性。4.潜在火灾危险性评价在不同实验尺度下，通过不同热环境或近火环境测试获取可燃材料的对火反应特性，运用相关指标、方法对其热、烟和毒方面的危害和趋势性进行判定的行为称为潜在火灾危险性评价。潜在火灾危险性评价的目的有两个：评价现有建筑中可燃材料可能产生的火灾危害及其可能性，寻找材料使用的最安全方式、布局、环境；为未来材料的选择和设计提供依据；第二节聚合物材料的火灾安全性评价聚合物材料的火灾危险性可分为两类：热危险性与燃烧过程中热量的释放有关。非热危险性与燃烧过程中释放的烟气、毒性和腐蚀性燃烧产物有关一、热危险性热危险性：是指与热过程有关的危害及其造成危害的趋势。（一）评价指标1.着火性着火性：是指材料在热能的作用下，其表面挥发出的可燃气体被点燃的能力。材料的着火温度越高，材料也就越安全。材料的着火性可以通过自燃和闪点的温度来衡量，也可以根据锥形量热仪测量的点火时间（TTI）来衡量，或者根据点燃材料所需的最小热辐射通量来衡量。材料的点燃时间（TTI或tig）是使材料表面恰好能维持有焰燃烧时需要的时间，以秒（s）为单位。TTI越长，表明聚合物材料在此条件下越不易点燃，材料的阻火性越好。2.熄灭的难易性材料着火后，越易被熄灭，可能带来的火灾危险性就越小。3.火焰传播速率火焰传播速率：是指火焰沿一个固体表面持续着火时，火焰前峰移动的速率。火焰传播速率直接影响到火灾发展速率和人员逃生可利用的时间。4.热释放速率（HRR）热释放速率：是指在预置的入射热流强度下，材料被点燃后单位面积的热释放速率。HRR是表征火灾危险性的重要参数。5.火灾性能指数（FPI）它是点燃时间（TTI）与热释放速率峰值（PkHRR）的比值。它是材料本身的一个属性。FPI值越高（FPI＞1），表示火灾危险性越小；数值越低（FPI＜1）表示火灾危险性越大。6.火灾蔓延指数（FGI）它是热释放速率峰值（PkHRR）和到达峰值时间（tPkHRR）的比值。FGI越大，表明达到一个较高热释放速率峰值所用时间越短，则火灾危险性越大。7.烟气参数（SP）它是热释放速率峰值（PkHRR）和特殊消光面积（SEA）的乘积与1000的比值。SP用于表示火灾发展最为充分时的烟气遮光度大小，可用于衡量人员疏散和逃生的难易程度。其数值越低，危险性越小。（二）对火反应测试方法1.极限氧指数（LOI）法极限氧指数（LOI）定义：在规定试验条件下，试样在氮、氧混合气体中，维持平衡燃烧所需的最低氧浓度（体积百分含量）。测定标准方法：ISO4589、ASTMD2863、GB2406-80测定仪器：氧指数仪氧指数测定仪2.UL94法（可燃性的测定）可燃性定义：指材料进行有焰燃烧的能力。在规定的试验条件下，能进行有焰燃烧的材料，归为可燃材料。测定标准方法：此法用于测定按一定位置放置的塑料被施加火焰后的行为。UL94、ISO12992、ISO1210、GB2408-80、GB4609-84测定仪器：水平、垂直燃烧试验仪水平、垂直燃烧试验仪（1）垂直燃烧试验（94V-0、94V-1、94V-2）垂直燃烧试验装置示意图根据样品燃烧时间、熔滴是否引燃脱脂棉等实验结果，将材料分级，其中，V-2级为最低阻燃级，V-0为最高阻燃级。UL94V-0、V-1及V-2垂直燃烧测定判别指标水平燃烧试验装置示意图若时间超过30s，移走点火源后，试样还没燃烧到25mm标记处，并自动熄灭，则可划归为94HB级；若时间不到30s，试样就燃烧到25mm标记处，则撤去火焰，从火焰燃经25mm标记处时开始计时，到100mm处或燃烧熄灭时计时结束，计算燃烧速率。对厚为3-13mm的试样，若燃烧速度≤38mm/min；或对厚度小于3mm试样，燃烧速度≤76mm/min；或试样燃烧100mm前火即熄灭，则该塑料可划归为94HB级。（2）水平燃烧试验（94HB）3.锥形量热仪法锥形量热仪(ConeCalorimeter)锥形量热仪(BSEConeCalorimeter)锥形量热仪(BSEConeCalorimeter)锥形量热仪的测试参数（1）热释放速率（HRR）HRR指单位面积样品释放热量的速率。单位：KW/M2。HRR的最大值为热释放速率峰值（PkHRR）。HRR或PkHRR越大，聚合物材料表面接收的热反馈越多，热裂解速率越快，从而产生的挥发性可燃物越多，火焰传播也越快。因此聚合物材料在火灾中的危险性就越大。（2）总释放热（THR）THR指单位面积的材料从开始燃烧到结束所释放的热量。单位：MJ/M2。THR越大，说明聚合物材料燃烧时所释放的热量就越大，即聚合物材料在火灾中的危险性就越大。（3）有效燃烧热（EHC）EHC指某一时刻t时所测得的热释放量与质量损失量之比。单位：MJ/Kg。EHC反映了可燃性挥发气体在气相火焰中的燃烧程度。（4）点燃时间（TTI）TTI是恰好维持材料表面有焰燃烧时对应的时间。单位：S。TTI越长，表明聚合物材料在此条件下越不易点燃，材料的阻燃性就越好。（5）质量损失速率（MLR）MLR是聚合物材料在燃烧时质量损失的变化速率。单位：g/s。MLR反映了聚合物材料在一定火强度下的热裂解速率和行为。4.热重分析（TG）法热重分析法是研究聚合物热解动力学最常用的一种方法。它在可控的程序升温下，研究热解过程中物质质量与稳定之间的关系，最终从记录的热失重（TG）曲线上解析热解失重速率等参数，并根据热分析动力学原理，定量描述聚合物热解过程中活化能的变化，推断热解反应机理。5.数值实验模拟数值模拟实验是指利用先进成熟的计算机软件对复杂火灾现象进行数值模拟，得到直观、仿真的结果，实现对真实火灾场景某些层次或某些方面属性的模拟或复现。二、非热危险性火灾烟气是由多种物质组成的具有较高温度的云状混合物，主要包括：燃烧产生的气相产物；在流动过程中卷吸进入的空气；多种微小的固体颗粒和液滴。烟气的危险性主要表现在：降低可视度；气态产物的毒性和腐蚀性。评价指标和模型1.材料的生烟性根据测定原理，可将生烟量测定方法分为两类：光学法——测定烟密度；质量法——测定烟尘质量。烟密度箱（NBS烟箱）烟密度箱主要由：辐射加热器、引燃器、光电测量仪表、记录仪等组成。实验时，将试样在箱内燃烧产生烟雾，并测定穿过烟雾的平行光束的透光率（T）变化，再计算比光密度。比光密度（Ds）：单位面积试样产生的烟扩散在单位容积烟箱单位光路长的烟密度。100lgVDsALTA——试样暴露面积，mm2；V——烟箱容积，mm3；L——光路长，mm；T——透光率，%。100132lgDsT2.燃烧毒性塑料燃烧产物的毒性可以化学法、生理法、生物法测定，但最常用的是生物实验法。匹兹堡大学实验设备示意图该法的基本原理是燃烧一定量的材料，并将大鼠置于燃烧气态产物中，再观察大鼠的受害情况。3.材料的腐蚀性气态产物在水平管式炉中燃烧试样，然后将燃烧产物溶于水中，再测定水溶液pH值或滴定其中的酸含量，以评价燃烧产物的腐蚀性。IEC754-2法测定燃烧产物腐蚀性仪器示意图三、综合性评价聚合物材料的热危险与非热危险相辅相成、紧密联系。因此火灾风险评估必须把所有危险因素发生的概率和造成的后果考虑在内。火灾是分步进行的：首先，材料必须被点燃；其次，火灾必须从燃点蔓延；再次，随着火灾的发展，烟尘和毒性气体大量产生。这个过程中的每一个环节环环相扣，且都具有火灾危险性。火灾风险函数不是简单的加和形式，而是乘积形式：R=Af(点燃)a×Bf(发展)b×Cf(烟气)c×Df(毒性)d×…第三节无机材料的火灾安全性评价无机材料：包括混凝土、金属（如钢结构）、砖瓦、黏土制品、陶瓷、玻璃、石膏制品等。无机材料一般属于不可燃材料，它在火灾中的危险性主要是由于产生的强烈的热作用而失去原有物化性能引发次生灾害。如，现在建筑中盛行采用钢结构，钢结构在常温下具有优异的抗震抗弯性能，在高温下却非常容易发生变形，失去承载能力，造成结构整体坍塌。因此，建筑材料无论是否可燃，均具有潜在的火灾危险性和火灾风险性，必须对其火灾安全性进行分析。一、无机材料的耐火性能无机建筑构件材料的耐火性能应当从保持结构的稳定性、完整性和隔热性三方面考虑。失去稳定性：指构件（如梁、板、柱等）失去了支撑能力和抗变形能力，或达到不适宜继续承载的变形；失去完整性：指构件（如一些分隔构件：隔墙、楼板、门窗等）出现穿透裂缝或穿火空隙，火焰穿过构件，造成背火面可燃物起火燃烧，不再具有阻止火焰和高温烟气穿过的能力；失去隔热性：指分隔构件一面受火时，背火面温度达到220oC，可造成背火面可燃物（如纸张、纺织品等）起火燃烧，即分隔构件失去隔绝过量热传导的能力，此能力的丧失也会导致构件另一侧的区域受到高温的影响。