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室内纺织品燃烧火灾危险性评估的研究

室内纺织品作为常用的软装材料,被大量应用于室内装修中。室内装饰织物在给人类带来舒适生活的同时,同样存在潜在火灾危险性。常见的室内纺织品种类主要包括墙布、地毯、窗帘、床上用品、布艺沙发面料及填充物、桌布和毛绒玩具等。这些产品的原材料包括棉、麻、毛、丝等天然高分子材料,以及涤纶、腈纶、锦纶、氨纶等合成高分子材料,这些高分子材料属于可燃或易燃材料,容易被点燃,在火灾中具有快速燃烧蔓延的特性,对室内火灾发生及发展具有重要影响。
 
室内火灾所发生的环境属于封闭空间或者半封闭空间内,具有极大的危险性,会给人们造成严重的生命财产损失。据统计,由室内纺织品引发的火灾数量和造成的死亡率都比其他原因引发的火灾数量和死亡率高[1]。在火灾环境中,人们产生恐慌,同时受到火焰、热浪、烟雾、有毒气体等的多重冲击,容易受到伤害,甚至造成死亡。美国统计资料显示过去40年中,烟气吸入致死占火灾死亡总人数的70%~75%。同样,欧洲阻燃协会研究表明,绝大部分人是吸入了烟尘及毒害气体昏迷后而致死的。
 
1 燃烧测试标准
国内纺织品常见的燃烧测试标准包括GB/T 5454—1997《纺织织物 燃烧性能测定 氧指数法》,通过极限氧指数表征材料的燃烧特性,主要与纤维成分、织物结构、织物整理工艺等相关;GB/T 5455—2014《纺织品 燃烧性能 垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》和GB/T 5456—2009《纺织品 燃烧性能 垂直方向试样火焰蔓延性能的测定》主要通过续燃时间、阴燃时间、损毁长度表征燃烧特性;GB/T 8746—2009《纺织品 燃烧性能 垂直方向试样易点燃性的测定》用于表征样品的点燃特性;GB/T 11049—2008《地毯燃烧性能 室温片剂试验方法》用于表征地毯的点燃特性;GB/T 14644—2014《纺织品 燃烧性能45?方向燃烧速率的测定》通过45?法测量样品的燃烧性能;FZ/T 01028—1993《纺织织物 燃烧性能测定 水平法》通过水平法测量织物的燃烧性能。以上纺织品的燃烧性能检测标准已经比较成熟,通过燃烧速度、续燃时间、阴燃时间、损毁长度等表征纺织品的燃烧性能,提供简单的燃烧数据,主要用于不同纺织品燃烧性比较,较难用其预测真实环境中产品的火灾危险性。
 
2 火灾危险性评价参数
室内纺织品作为可燃材料容易引起火灾的发生,同时燃烧过程中能够加速引导火灾蔓延,增加火灾载荷,在高温封闭空间内,因为氧气浓度下降,处于贫氧状态下的纺织品不完全燃烧将产生大量有毒气体与烟雾,危害人们生命财产。室内纺织品作为可燃材料,其火灾危险性越来越受到重视。
 
火灾是可燃材料燃烧的表现,室内纺织品燃烧特性可以从点燃性及燃烧发展特性等进行综合分析,主要指标包括易引燃性、火焰蔓延特性、热量释放特性、烟雾释放特性、有毒气体浓度等,从以上多个方面进行综合表征,建立纺织品燃烧特性与火灾危险性关联模型。室内纺织织物燃烧火灾危险性评价参数主要包括:
 
2.1 易点燃性
室内纺织品原材料属于可燃高分子材料,存在容易被点燃的危险,容易成为火灾的着火点。着火过程是无化学反应向稳定强烈放热反应的过渡。室内纺织品的点燃温度较低,一旦接触火源,会迅速燃烧,火焰蔓延快,火灾危险性大。可燃材料在着火之前,通常受热发生热解,气化,释放出可燃气体,形成气相火焰。易点燃性可以通过以下指标来表征:(1)点燃时间:采用锥形量热仪,从表面受热开始到出现有焰燃烧现象所需时间,用于表征材料接触外部热源被引燃的难易程度,点燃时间越长,表明材料越难以被引燃;(2)极限氧指数:采用在规定条件下,维持产品燃烧所需的最低氧气浓度来表征;(3)熔点、分解温度和燃点:可以通过热重分析仪(TG)测量材料的熔点;通过差示扫描量热仪(DSC)测量材料的热分解温度;当可燃材料在明火点燃下刚刚可以发生持续燃烧时,其表面最低温度称为燃点,也称着火点,通过着火温度测定仪测量材料的燃点。
 
2.2 火焰和热量
室内纺织品在燃烧过程中,产生的火焰和热量容易对人体造成烧伤。在规定的试验条件下,纺织品燃烧所释放的热量,是描述其火灾危险性的重要参数之一,用以表征热释放速度与大小,即热源释放热量的能力。通过锥形量热仪测量热释放性,采用热释放速率和总释放热量作为表征参数,如果材料热释放速率越大,热解速度越快,火焰传播速度就越快,对周围环境的影响程度越大。热危险可以通过火势增速和释热量进行表征[2]。
 
2.3 烟雾
纺织品燃烧产生的大部分烟雾颗粒物对可见光是不透明的,有较强的遮光作用,会造成能见度下降,导致人员看不清周围环境,辨认目标能力大大降低。烟雾参数可以通过锥形量热仪或者烟密度箱试验得到,表征指标有遮光率、生烟速率、总生烟量等。火灾中如果烟雾浓厚,人们视野不清,更加剧恐慌,给有限逃生机会增加困难。
 
2.4 有毒气体
大量研究表明,吸入毒性气体是火灾中造成人员伤亡的主要原因之一。室内纺织品燃烧产生的有毒气体包括各类助剂挥发气体、材料燃烧不充分产生的大量CO等。气体毒性的表征参数为毒气产率因子。烟气中毒气以CO最为常见,当空气中CO的含量超过一定量就会对人体产生伤害,因此CO生成率是衡量材料火灾危险性的重要参数。燃烧烟气毒性是材料火灾危险性评估的重要一环,急需建立评估材料燃烧烟气毒性的试验标准[3]。
 
3 试验方法
3.1 锥形量热仪法
室内纺织品通过锥形量热仪试验,可以得到包括热量释放指标、烟气释放指标、引燃时间等指标,锥形量热仪试验方法在火灾危险性评估中应用广泛。锥形量热仪试验原理基于材料在锥形加热器的热辐射下燃烧时会消耗掉空气中的氧气,通过检测燃烧过程中消耗的氧气量、产生的烟气及光通路情况,可获得样品燃烧产生的热量释放、烟气释放等数据。大量研究表明锥形量热仪试验结果与大型燃烧试验具有较好相关性。郑毛毛等[4]运用锥形量热仪对棉麻、涤纶、帆布、泡纱、条绒等5种室内装饰织物的燃烧性能进行了试验研究,测量室内装饰织物在不同热辐射条件下的燃烧特性,对试验数据进行图像拟合,通过具体试验数据和图像分析比较5种室内装饰织物在不同热辐射条件下的点燃时间、热释放速率、质量损失速率、比消光面积及一氧化碳生成量,最后得出了各种织物的火灾危险性相对大小。
 
3.2 墙角点燃试验
墙角点燃试验是一种全尺度火灾试验研究方法,又称屋角燃烧试验,更加接近真实火灾条件,可以用来研究室内装饰材料的火灾特性。该试验方法以模拟墙角火灾场景作为标准条件,并规定试验样品的安装完全按实际用途进行,是一种可靠的火灾科学研究方法。国际标准ISO 9705的全尺寸房间燃烧试验就规定了一种模拟火灾的测试方法,该火灾发生在一间房间的墙角部分,使用标准点火源,旨在评估产品对火灾发展的影响。杨昀等[5]采用墙角火试验方法对装饰材料火灾特性进行研究,包括对材料热释放速率、烟气产生和室内火蔓延方面的研究,分析其研究成果在室内装饰材料的分类及火灾危险性评估中的实际应用情况。马哲等[6]选取一种典型壁纸在大比例火灾试验台ISO ROOM中进行试验研究,同时进行小比例锥形量热仪试验,对两种不同比例试验结果相关性进行研究,提出以锥形量热仪试验数据为基础预测点燃时间、总释热量、CO2产率的经验公式。
 
3.3 热分析法
常用热分析方法主要包括热重分析法(TG)和差示扫描量热法(DSC)。热重分析法是在程序控制温度下,测量样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术,可以用来研究材料的热稳定性或热分解性。差示扫描量热法是在程序控制温度下,测量输入到试样和参比物的功率差与温度的关系,可以测定多种热力学和动力学参数。
李爱民等[7]利用热分析仪,对几种典型装饰织物在封闭空间内贫氧条件下的燃烧特性进行研究。利用热重-差热(TG-DTA)分析仪对纯棉、棉麻和腈纶这几种典型的装饰织物在不同的氧气浓度(10%、15%和21%)和升温速率(10K/min和30K/min)条件下进行了热重分析和差热分析试验,研究它们的燃烧特性,并着重进行了不同氧浓度下的对比研究,发现试样的燃烧分为两个阶段,并建立了以一级反应模型为主的动力学方程,并得出了各阶段的动力学参数、表观活化能和频率因子。施海云等[8]对8种典型火灾可燃物纺织品的热解行为进行了热重分析和差分热重分析(DTG)研究。通过对TG和DTG曲线的分析,深入研究了天然纤维、化纤及其混纺的热解特性。根据DTG曲线上峰的个数,将热解过程分为若干阶段,建立多阶段热解虚拟模型,并得出了几种天然纤维的动力学参数。
 
3.4 氧指数法
室内环境属于封闭或者半封闭空间,在发生火灾以后,材料燃烧消耗掉大量氧气,氧浓度急剧下降,出现贫氧状态。氧指数法是指在规定的条件下,材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的最低氧浓度称为极限氧指数(LOI),极限氧指数高表示材料不易燃烧。氧指数法用来表征材料的易点燃性,用于判断材料在空气中与火焰接触时燃烧的难易程度。在GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》认为,对于窗帘幕布、家具制品装饰用织物,氧指数≥32 %为B1级制品,即难燃材料;氧指数≥26 %为B2级制品,即可燃材料。氧指数法的标准试验方法为国家标准GB/T 5454—1997。在纺织织物燃烧特性研究中,可用极限氧指数区分纤维材料的点燃特性,LOI小于26%为可燃或易燃纤维,大部分常用纺织纤维的氧指数都远低于26%,属于可燃或易燃材料[9]。
 
4 火灾危险性评估方法
在建立纺织品燃烧特性与火灾危险性评估关联性研究方面,主要有层次分析法、灰色关联分析法和FDS场模拟法等。
 
4.1 层次分析法
层次分析法(AHP)是美国运筹学家匹茨堡大学教授Saaty提出的一种层次权重决策分析方法。所谓层次分析就是将一个复杂的多影响因素问题作为一个系统,将目标分解为若干层次,通过定性指标模糊量化方法计算出层次单排序(权数)和总排序,以衡量各指标权重的系统方法[10]。层次分析法的基本思想是基于按问题要求建立一个描述系统功能的内部独立递阶层次结构,通过比较两因素间相对重要性,给出相应比率标度,构造上层要素对下层相关元素的判断矩阵,计算相关元素对上层某要素的相对重要序列。运用AHP一般分为3个步骤:首先按照因素间的相互关系影响以及隶属关系,将因素依照不同的层次聚集组合,形成一个多层次的分析结构模型;其次,根据对客观现象的主观判断,对每一层次因素的相对重要性给以定量描述;最后利用数学方法确定每一层次全部因素相对重要性次序的数值,进行一致性检验[11]。
舒中俊等[11]以锥形量热仪试验所测量数据为基础,推导出了火势增长指数(FGI)、放热指数(THRI6min)、发烟指数(TSPI6min)和毒性气体生成速率指数(ToxGI)4个评价高分子聚合物材料火灾危险性的参数,后3个指数以试验开始后前6min为时间轴,主要是基于一二级耐火等级民用建筑及高层民用建筑规定的允许疏散时间正好在此时间范围内,这段时间内材料的燃烧性能对人员安全影响最大,并利用这4个参数对16种样品的火灾危险性逐项进行了分析评价,采用层次分析法原理对样品的火灾危险进行了综合评价及排序,研究结果表明火势发展指数和CO生成速率指数对样品的区分度较高,可重点研究材料的这两项指数。蔡晶菁等[2]基于层次分析法,应用锥形量热仪试验得出的热释放速率(HRR)、质量损失速率(MLR)、比消光面积(SEA)、一氧化碳产率(COY)、生烟速率(SPR)、总生烟量(TSP)等重要参数,提出一种定性与定量相结合的装饰装修材料火灾危险性综合评价方法,对装饰装修材料火灾危险性综合评价指标(FHI),导入锥形量热仪试验数据,得到4个指标值,从而计算出某种具体材料的火灾危险性指数(FDI),并且通过量化比较得出化纤窗帘的火灾危险性大于尼龙地毯。合理构建出装饰装修材料火灾危险性的评价指标体系,即层次结构模型,定义了最底层指标的表征参数,并依据火灾案例等经验数据确定各指标权重,从而得出装饰装修材料火灾危险性综合评价指标值,最后通过实例分析,验证了该综合评价方法的可行性。
 
4.2 灰色关联分析法
灰色关联分析法是灰色系统中理论最成熟、应用最广泛的一部分,其基本原理是基于对统计序列几何关系的比较,辨别系统中多种因素间的关联程度,序列曲线的几何形状越接近,则关联度越大。采用灰色关联分析法进行火灾危险性评估,可以定量分析系统及各层次风险等级,并找出危险指数的核心参数[12]。灰色关联分析是指对一个系统发展变化态势的定量描述和比较的方法,其基本思想是通过确定参考数据列和若干个比较数据列的几何形状相似程度来判断其联系是否紧密,它反映了曲线间的关联程度。在系统发展过程中,若两个因素变化的趋势具有一致性,即同步变化程度较高,即可谓二者关联程度较高;反之,则较低。灰色关联分析法对于一个系统发展变化态势提供了量化的度量,适合动态历程分析。
吴芸[10]用锥形量热仪对9种不同的典型聚合物材料进行了测试,采用灰色关联分析法对锥形量热仪的测量数据,包括9种样品的毒性气体生成速率指数、发烟指数、放热指数、火势增长指数等进行计算,根据各因子关联度大小比较不同样品之间的火灾危险性大小。通过Matlab软件进行矩阵计算,得到各序列的关联度结果,选取的参考序列中的各参数均为各项指标中的最大值,故相关度越高,代表样品的火灾危险性越大,得出了9种样品的火灾危险性排序。对灰色关联分析法和层次分析法的计算结果进行了分析比对,并分析了两种方法排序差异的原因。层次分析法包括各因素权重计算过程,分析结果不但与参评数列的值有关,还与各数值对应的影响因素的权重有关,两者共同决定了火灾危险综合指数排序,灰色关联分析法计算结果体现参评数列之间的关联度,两种评价方法侧重点不同,得到的结果不同。
 
4.3 FDS场模拟法
FDS火灾模拟系统是美国科学院研制的一款用于模拟火灾场景的模拟器,结合实际的火灾参数修正,成为模拟火灾的重要工具,以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件,重点计算火灾中烟气和热传递过程。FDS程序是开放的,其准确性得到了大量试验的验证,因此在火灾科学中得到广泛应用[13]。
在采用FDS场模拟方面,朱五八[14]选择当前家具市场上具有代表性和普遍性的软垫家具,运用小尺寸试验与全尺寸试验相结合的方法研究了软垫家具火灾特性,进一步在燃烧室内研究通风条件对软垫家具的火灾特性影响,给出了热释放速率峰值与通风因子之间线性关系。运用FDS场模拟方法分别研究了受限空间和敞开空间内软垫家具火灾行为,通过比较分析发现,模拟中热释放速率峰值与试验值基本一致,能够很好模拟受限空间内软垫家具火灾动力学和热反馈的作用。同时分析了软垫家具燃烧过程中对热释放速率的影响因素,分别给出了敞开空间和受限空间内的软垫家具热释放速率峰值预测公式,预测结果可以取得较高的精度。李利敏[15]基于办公建筑内可燃物燃烧特性试验及小型办公建筑全尺寸火灾试验,对小型办公建筑进行了数值模拟,模拟分析了办公建筑室内及走廊烟气温度、烟气能见度、CO浓度等火场危险性指标。办公建筑物内火灾的最大热释放速率与通过全尺寸实体试验得到的最大热释放速率基本符合,模拟结果表明FDS可以较为准确地预测办公建筑的火灾危险性。
 
5 结语
室内纺织织物作为可燃材料或易燃材料,容易被引燃,在燃烧过程中会快速释放出大量有毒烟气和热量,具有较大的危害性。室内纺织品燃烧特性对室内火灾的发生、发展、蔓延及危害性有重要影响,研究室内纺织品燃烧试验,建立燃烧特性与火灾危险性关联性,科学合理评估其室内火灾危险性,对指导室内纺织品的正确使用具有重要意义。

 

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