常见室内材料的火灾特性
郑艳敏，孙忠强。苏昭桂
（河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄０５００１８）
摘要：对建筑物内常见的聚氨酯泡沫材料、布料、木板分别进行热解及阴燃实验。通过热分析实验得出失重曲线，并依据热分析动力学理论求解得出了３种物质的动力学参数一活
化能和指前因子。通过阴然实验在一定程度上得出了不同热流量下物质的反应特性，在一定程度上与热分析动力学参数活化能的大小相吻合。阴燃实验热流量为１．２０、２。２５、３．０２ｋＷ／
ｌ热分析实验
１．１实验结果及分析
实验采用ＮＥＴＺＳＣＨＳＴＡ４４９Ｃ型热重分析仪，由计算机控制和采集数据。实验样品为聚氨酯泡沫材料、布
料、木板，每次样品用量为（１０±ｏ．１）ｍｇ。实验参数为：
吹扫气为氮气，使用压力为０．０５ＭＰａ，流速为２０ｍＬ／
ｍ。结果表明：木板、布料在较低温度下就开始热解，而聚氨酯泡沫材料要在３００℃以上才开始热解。
关键词：建筑火灾；热分析动力学；阴燃；热流量
中图分类号：ｘ９１３．４。ＴＫｌ２１
文献标志码：Ａ
ｍｉｎ；保护气为氮气，输出压力恒定为ｏ．０５ＭＰａ，流速恒
定为２０ｍＬ／ｍｉｎ。升温范围为室温至６００℃，升温速率
为１０℃／ｍｉｎ。实验结果如图１所示。
文章编号：１００９一００２９（２０１５）０３一０２９４一０３
阴燃是一种自维持、不断传播、异向反应、无火焰的放热燃烧过程。阴燃广泛发生于多空疏松材料的燃烧过
程中，它具有维持时间长、难以熄灭等特点。多空疏松材
料在发生阴燃时，会释放出大量的有毒烟气，危害人的健
康甚至使人窒息。另外，经过长时间的预热、传播，阴燃
会转化为更为快速的有焰燃烧方式，酿成更大的破坏。
温度／℃
圈１
据统计，在美国引发室内火灾的原因中，４０％的火灾是由
于阴燃而进一步引起的火灾。因此，为了更好地预防建筑物火灾的发生，笔者针对建筑物居室中常见的聚氨酯泡沫材料、布料、木板等可燃物，运用热分析动力学以及
３种材料的失重曲线
这３种常见的可燃物可分为两类，即纤维类和聚合
物物类，这两类可燃物的热解及燃烧特性在有关文献中
有更详细的分析。由图１可以看出，木材的失重曲线表明在小于等于１００℃时，其质量基本没有发生变化，当温
实验的手段，研究其升温变化过程。
［６］ＧＢ／Ｔ２０２８４—２００６，建筑材料及制品的单体燃烧试验方法［ｓ］［７］ＧＢ８６２４—２０１２，建筑材料及制品燃烧性能分析［ｓ］．
ｔａｉｎｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｗｅｒｅ
ｎｏ
ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｃｏＵａｐｓｅａｎｄｆａｌｌｏｆｆｄｕｒｉｎｇ
ａｓ
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ＹＡＮＧＬｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＳｈａｏ—ｙｕ，ＺＨＵＡＮＧＳｈｕａｎｇ（Ｔｉａ响ｉｎ
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作者简介：杨亮（１９７９一），男，天津人，公安部天
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ｂｕｉｌｄｉｎｇ
ｗａｓｃａｒｒｉｅｄ
ｏｕｔ
ａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆ
津消防研究所助理研究员，主要从事材料阻燃与测试技术的研究，天津市南开区卫津南路１１０号，３００３８１。
收稿日期：２０１４—１１—１４
ｈｅａｔｒｅｌｅａｓｅｐｒｏｃｅｓｓｆｒｏｍｔｈｅｎｏｒｍａｌｏｒｇａｎｉｃｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｂｏａｒｄ．Ｂａｓｅｄ
ｎｅｎｔ
ｏｎ
ｔｈｉｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｉｓｃｏｍｐｏ—
Ｔｈｅｍａｉｎ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ｏｆｔｈｅｓａｍＤｌｅｍａｉｎ一
基金项目：河北省自然科学基金（Ｅ２０１３２０８１６９）２９４
万方数据
度在３００℃时，加热１０ｍｉｎ质量迅速减少，当温度在４００℃时，１５ｍｉｎ后失重达到８０％以上。布料在１００、２００℃时失重不超过１０％，在３００℃前失重不超过４０％，但是在高温环境下其失重则较高。聚氨酯泡沫材料在２００℃之前温度变化不大，但随着温度的升高，蓄热的不断增加其失重增大，在５００℃时失重几乎达到９０％。１．２热解动力学分析
对物质的热解反应过程进行分析大多是从其反应过程的热重曲线上进行动力学分析。根据化学反应动力学原理，物质的反应速率可以用式（１）表示。
大，而布料所需的活化能较小，当室内可燃物发生初期火
灾时，一些活化能较小的可燃物发生阴燃，在环境适宜时能量蓄积，当达到一定程度时，活化能较大的可燃物发生燃烧，若火势得不到控制有可能发生轰燃。
表ｌ
可燃物活化能／Ｊ／ｍｏｌ指前因子ｓ２２．１
木
３种材料的反应动力学参数
材
布
料
聚氨酯泡沫
４８８３１．２１３．５７８
０
２２８９７．５１０．００７８
１１４１３．９４Ｏ．０８６
３
实验验证实验方法
以聚氨酯泡沫材料的阴燃实验进行验证，实验装置
半一Ａｅ‘”Ｆ（口）
（１）
如图３所示。实验用的聚氨酯材料垂直放置，材料尺寸
对其ＴＧ曲线的分析采用较多的是ＣｏａｔｓＲｅｄｆｅｎ积分公式，如式（２）所示。
为１０ｃｍ×１５
ｃｍ×２０
ｃｍ，隔热层采用５ｃｍ厚的硅酸铝
纤维，上端开口，下端用隔热材料并均匀开口，使实验过
・ｎ『譬］＝ｌｎ『筹（・一等）］－嘉
的积分函数，对应不同的反应机制。
㈤
程在自然对流条件下进行。加热器在下部均匀加热，通过变压器进行加热功率的调节，第一根热电偶放在材料表面但不接触，剩余的热电偶在材料内的长度是间隔２ｃｍ，热电偶的垂直距离是３ｃｍ。温度值通过计算机进行采集并储存。
式中．￡、丁、口分别为反应时间、温度、升温速率；Ａ为指前因子；Ｅ为活化能；Ｒ为气体普适常数；ｇ（ｎ）为ＴＧ曲线
ｇ（ｎ）可总结为：ｇ（以）一一ｌｎ（１一“），，ｚ＝１（理为反应级
，挖≠１。
从式（２）可以看出，在所选的不同温度区间内分别选
取ｎ、丁数据，对于正确的反应级数＂，ｌｎ『－鸥譬］和专作图
Ｌ
１
Ｊ
１
Ｆ
尉习ｉ
图３实验装置图
的图线应该是一条直线，其斜率为一詈，截距中包含频率
』、
因子Ａ。考虑到固相反应的特殊性，通过假定的理想化简单反应模式，并按照控制反应速率的各种关键步骤，依据推导出的多个用于不同反应模式的动力学模型函数，使用一级化学反应并经过对实验数据使用ｅｘｃｅｌ和最小二乘法进行处理得出其动力学曲线，如图２所示。
２．２实验结果与分析
图４～图６为热流量在１．２、２．２５、３．０２ｋＷ／ｍ时进行的实验数据分析图。从热电偶所测得的温度比较看：图６在热流的作用下先发生阴燃，当热量达到了活化能时发生了燃烧，从图中可以看到温度达到了９００℃。在热流２．２５ｋｗ／ｍ作用下物质发生了阴燃，并维持阴燃而没有向明火转化。在１．２ｋＷ／ｍ的热流作用下物质没有发生阴燃，在反应发生ｌｏｍｉｎ后温度逐渐降低。不同的热流量下聚氨酯泡沫材料的反应变化也印证了阴燃燃烧所需活化能大小。在不同外加热流密度下，除了靠近加热源附近的聚氨酯泡沫材料的升温过程受加热源影响
㈩｝｝。…１１｝ｉ…‘ｔ‘’…ｆＩ？”
…｛ｌｊ
１１
…１１ｊ５
外，在离加热源较远处的聚氨酯泡沫材料的升湿过程几乎不受加热源影响，其升温主要是由于相邻位置的聚氨酯泡沫材料发生氧化反应后释放的热量造成的。而对于同一种聚氨酯泡沫材料。在几乎相同的供氧条件下，其发生阴燃反应所释放的热量几乎是一致的。因此，其释放的热量对相邻位置加热升温过程也是一致的。由图４～图６还可以看出，随着加热流的增大，温度分离曲线的时间坐标向左偏移；这是因为反应初始时，受到越大的外加
２９５
上
７、
图ｚ，种材料舳［警］～｛曲线
由图２可以看出，３种物质的线性相关性较好，依据
最小二乘法得出的斜率值并通过计算得出活化能和指前因子．如表１所示。
由表１可以看出，聚氨酯泡沫材料需要的活化能较
消防科学与技术２０１５年３月第３４卷第３期
万方数据
热流量的加热，材料的温度上升就越快，相应发生阴燃的
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１．２
８７
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ｃｏｎｓｅｎｓｕｓ—
ｋｗ／ｍ热流下时间一温度曲线
２：ｆｉｔｔｉｎｇ
ｋｉｎｅｔｉｃｓｄａｔａｉｎｄｙｎａｍｉｃｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎｔｈｅｒｍａｌａｎａｌｙｓｉｓ
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一虽ｉ：３，
ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａＩｓｔｕｄｙ
（１
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结论
（１）木板、布料在较低温度下就开始热解，而聚氨酯泡沫材料要在３００℃以上才开始热解。从计算得出的活化能值的大小上也可以看出，室内常见可燃物发生阴燃所需要的能量都比较低。
（２）在不同热流条件下聚氨酯泡沫材料在实验中所得到的温度分离曲线斜率变化规律很相似；并且随着加热流的增大，温度分离曲线的时间坐标向左偏移。
（３）通过不同的热流量下聚氨酯泡沫材料的反应特性，下一步工作致力于研究在聚氨酯泡沫材料中添加抑制剂来抑制其向燃烧转化。
参考文献
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ｃｅｒｔａｉｎ
ｄｅｇｒｅｅ．
Ｉｔｉｓａｌｓｏｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈ
ｆｌｏｗ
ｖａｌｕｅｓ
ｏｆ
ｐｙｒｏｌｙｓｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．
Ｔｈｅｈｅａｔ
ｓｍｏｌｄｅｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗｅｒｅ１．２０ｋＷ／ｍ，２．２５ｋＷ／ｍａｎｄ３．０２
ｋＷ／ｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｗｏｏｄ
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ａｎｄｃｌｏｔｈｄｅｃｏｍ—
ａｔ
ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｄｅｃｏｍｐｏｓｅｄ
ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｈａｎ３００。Ｃ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｉｌｄｉｎｇｆｉｒｅ；ｔｈｅｒｍａＩｋｉｎｅｔｉｃｓａｎａｌ），ｓｉｓ；ｓｍｏＩｄｅｒｉｎｇ；ｈｅａｔｆ１１】ｘ
作者简介：郑艳敏，女，河南商丘人，河北科技大学环境科学与工程学院讲师，主要从事安全工程专业教学和火灾防治理论及技术研究，河北省石家庄市玉华区藏龙福地小区１号楼２单元４０１，０５００２１。
收稿日期：２０１４—１１—２２
Ｆｉｒｅ
ｓｃｉｅｎｃｅ卸ｄＲｃｈ∞Ｉｏ副．Ｍａｒｃｈ２０１５，Ｖｏｌ３４，Ｎｏ．３
万方数据
常见室内材料的火灾特性
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
郑艳敏， 孙忠强， 苏昭桂， ZHENG Yan-min， SUN Zhong-qiang， SU Zhao-gui河北科技大学环境科学与工程学院,河北石家庄,050018消防科学与技术
Fire Science and Technology2015(3)
与技术 2015(3)
引用本文格式：郑艳敏.孙忠强.苏昭桂.ZHENG Yan-min.SUN Zhong-qiang.SU Zhao-gui 常见室内材料的火灾特性[期刊论文]-消防科学