几种常用地毯材料的燃烧性能分析

龙国锋

（广东省公安消防总队东莞支队，广东东莞523000）

几种常用地毯材料的燃烧性能分析

龙国锋

（广东省公安消防总队东莞支队，广东东莞523000）

利用氧指数法、水平垂直燃烧法、锥形量热仪法对几种地毯材料的燃烧性能进行了测试。给出了几种常见地毯材料燃烧所需的氧气百分数，水平垂直方向的燃烧性能，在不同热辐射强度下的质量损失、热流量释放、烟气释放、CO的释放等燃烧特性的测试结果。综合评价了材料的燃烧性能以及对消防安全的影响。

地毯材料；燃烧性能；氧指数法；水平垂直燃烧法；锥形量热仪法

引言

地毯主要是用棉、麻、毛、丝等天然纤维或化学纤维合成的原材料，经手工或机械工艺编结、栽绒或纺织制成的。在建筑物内部装修及人们的日常生活中地毯的应用十分广泛，常见敷设于家庭住宅、酒店宾馆、体育馆、展览厅以及车辆、船舶、飞机等的地面。地毯因其具有可燃性，而且在燃烧过程中会产生大热量，燃烧迅速，会释放出有毒气体，给火灾消防和火灾现场人员疏散逃生带来许多问题。研究不同材料地毯的燃烧性能，对室内火灾的预防和控制有一定的指导意义。本文试运用氧指数法、水平垂直燃烧法、锥形量热仪法对几种常用地毯材料的燃烧特性进行测试。

一、实验部分

（一）实验材料

准备丙纶材料地毯、纯毛材料地毯、两种化纤材料地毯作为研究对象。

规格要求：

氧指数实验试样尺寸：120mm×6.5mm× 5mm；

水平垂直燃烧实验试样尺寸：125mm×13mm ×5mm；

锥形量热仪试样尺寸：100mm×100mm× 5mm；

（二）实验仪器

HC-2型氧指数测定仪，南京江宁分析仪器厂生产；

C2F-3型水平垂直燃烧测定仪，南京江宁分析仪器厂生产；

锥形量热仪，英国FTT公司生产。电子天平。

（三）测试方法

1.氧指数测试方法

运用HC-2型氧指数测定仪，参照GB/T2406-2008《塑料燃烧性能试验方法——氧指数法》，分别对丙纶材料地毯、纯毛材料地毯、两种化纤材料地毯样品进行实验。

2.水平垂直燃烧性能测试方法

运用C2F-3型水平垂直燃烧测定仪，参照GB/ T2408-1996《塑料燃烧性能试验方法——水平燃烧法》和GB/T2408-2008《塑料燃烧性能试验方法——垂直燃烧法》，分别对丙纶材料地毯、纯毛材料地毯、两种化纤材料地毯样品进行实验。

3.锥形量热仪测试方法

运用锥形量热仪，参照ISO5660相关参数分别对丙纶材料地毯、纯毛材料地毯、两种化纤材料地毯样品进行测试。以下是测试选择的ISO5660反映材料特性的重要参数。

（1）热释放速率

热释放速率（HRR）是在预设的加热器热辐射热流强度下，样品燃烧后单位面积上释放热量的速率，单位为kW/m2。热释放速率越大，大量的热量反馈至样品表面从而加快其热解速度，进而产生更多挥发性可燃物加速火焰传播，因此材料的火灾危险性变得越大。

平均热释放速率（av-HRR，单位为kW/m2），也是火灾性能设计中需要考虑的一个重要参数。样品在整个阶段的平均热释放速率可以用来对样品在燃烧阶段的热释放情况做出评估，平均热释放速率越大，说明材料燃烧程度越猛烈。

峰值热释放速率（Pk-HRR，单位为kW/m2）也是材料的火灾特性重要参数之一，峰值热释放速率越大，火灾危险性越大。

（2）质量损失速率（MLR）

质量损失是可燃物燃烧反应的必然结果，也是衡量可燃物火灾危险性的重要指标。在锥形量热仪实验中支撑样品池的称量台，通过采用五点差分法能自动记录材料燃烧过程中的质量损失速率，单位为g/s。结果显示，质量损失率大的物质，在真实火灾情况中其火焰传播速度也比较快，其火灾危险性也就越大。

（3）CO/CO2产率

CO/CO2产率是衡量材料火灾危险性的重要参数之一。据统计，在建筑火灾的丧生者中，约80%以上是因为吸入了有毒气体而致命。现实中火灾初期产生的有毒气体也严重影响在场人员的安全撤离和疏散。

（4）生烟速率（SPR）

生烟速率（SPR，SPR=MLR×SEA，单位为m2/ s）是材料每秒时间里产生烟气的能力。其有助于分析材料在火灾初发阶段释放烟气的浓度是否具有危害性，对于分析火灾初期释放的烟浓度是否影响人员的安全疏散具有重要意义。

二、实验结果与分析

（一）氧指数法测定分析结果

按氧指数测定方法要求对四种材料进行测试，其氧指数测试结果见表1。

由下算式计算氧指数

表1 氧指数测试结果

根据阻燃性能评价标准：OI＜27%为易燃材料；27%＜OI＜32%为可燃材料；OI＞32%为难燃材料。

由表1可知丙纶地毯氧指数为20.8%，纯毛地毯氧指数为22.9%，化纤地毯1氧指数为20.1%，化纤地毯2氧指数为20.1%，均属于易燃材料。

（二）水平垂直燃烧法测定分析结果

按燃烧性能测试方法，分别进行地毯水平燃烧测试和地毯垂直燃烧测试，其测试结果见表2、表3。

（三）锥形量热仪法测定分析结果

将地毯按锥形量热仪法测试要求加工，制成样品，用电子天平称重，然后将其放入锥形量热仪中进行实验，其结果分析如下：

1.相同热辐射强度下材料燃烧性能的对比

（1）热释放速率

表3 地毯垂直燃烧测试结果

热量的释放速率通常被认为是火灾发展进程中用来描述材料燃烧性能的最重要参数，是评价材料燃烧性能的最重要的指标之一。锥形量热仪实验中地毯材料热释放速率与实体房间火灾特性显示出较好的一致性。由图1—3可看出，实验所选几种地毯的热释放速率随时间而变化的情况。

图1 25kW/m2下地毯热释放速率—时间关系图

图2 35kW/m2下地毯热释放速率－时间关系图

图3 50kW/m2下地毯热释放速率—时间关系图

由图1—3可知，火焰开始阶段，热量释放速度较慢；一段时间后，火焰燃烧加速，释放出的热量剧增，直到达到峰值；以后，产生的热量又随之下降，火焰也逐渐熄灭。热释放速率与火灾发展的3个阶段的特征对应一致。

实验所选的几种地毯材料，无论热辐射强度高低，热量释放峰值出现的先后顺序是丙纶地毯、化纤地毯2、化纤地毯1，其中纯毛地毯的热量释放峰值出现顺序有所波动；同时，随着热辐射强度升高，丙纶地毯、化纤地毯1、化纤地毯2的热量释放峰值都增大，其中丙纶地毯的热量释放峰值的增大较慢，纯毛地毯的热量释放峰值有所波动。

此外，平均热释放速率也可以用来对材料在整个燃烧过程的热释放情况进行评估，这也是火灾性能测试设计中通常需要的重要参数。平均热释放速率越大，表明材料燃烧程度越猛烈。

表4 地毯在不同热辐射强度下的平均热释放速率

从表4中可知，辐射强度增强，平均热释放速率也随之增大。其中化纤地毯1有所波动，但总体来说是增大的。

（2）生烟速率

可燃物燃烧过程释放的有害烟气通常是导致火场人员窒息、中毒致死的主要因素之一。生烟速率

是火灾发展过程中描述材料燃烧性能的1个重要的参数。

图4 25kW/m2下地毯生烟速率—时间关系图

图5 35kW/m2下地毯生烟速率—时间关系图

图6 50kW/m2下地毯生烟速率—时间关系图

由图4—6可看出，实验所选地毯样品，随着辐射功率升高，烟气释放量峰值出现的顺序是丙纶地毯、化纤地毯2、化纤地毯1、纯毛地毯，其中纯毛地毯的烟气释放量峰值顺序有所波动。各种地毯样品的烟气释放量峰值在31l/s,比较稳定。

（3）CO产率

研究表明，当空气中CO浓度超过5×10-5%，就会对人体产生伤害。因而CO的产率被定为衡量材料火灾危险性的重要参数之一。

表5 实验地毯材料在不同热辐射强度下的平均CO生成率

由表5可知，随着热辐射强度增大，CO的产率总体来说是上升的。说明实验样品材料在辐射强度增强下，存在着一定的不充分燃烧，产生的不完全燃烧产物CO的量增加。然而，实际火灾中多为贫氧环境，比实验环境的氧气更少，则地毯燃烧时的CO产率可能比实验测量值更高。

2.不同热辐射强度下材料燃烧性能的对比

在热辐射强度25KW/m2、35KW/m2、50KW/m2下，对丙纶地毯、纯毛地毯、化纤地毯1和化纤地毯2进行实验。

（1）热辐射强度对热释放速率的影响

图7 丙纶地毯热释放—时间关系图

图8 纯毛地毯热释放—时间关系图

图9 化纤地毯1热释放—时间关系图

图10 化纤地毯2热释放—时间关系图

由图7—10可得，伴随热辐射强度的逐渐增大，峰值热释放速率同步增大，热释放的速率曲线也会产生前移，即材料的点燃时间变短，热释放加快，燃烧更猛烈。

（2）热辐射强度对CO产率的影响

图11 丙纶地毯CO产率—时间关系图

图12 纯毛地毯CO产率—时间关系图

图13 化纤地毯1CO产率—时间关系图

图14 化纤地毯2CO产率—时间关系图

由图11—14可以看出，CO的产率随着热辐射强度的增加而变小，而曲线则存在前移的现象，即伴随热辐射强度的逐渐增大，点燃时间相应减少缩短。

（3）热辐射强度对质量损失速率的影响

图16 纯毛地毯质量—时间关系图

图17 化纤地毯1质量—时间关系图

图18 化纤地毯2质量—时间关系图

从图15—18可以看出，曲线的斜率表示材料质量损失的速率，随着热辐射强度的增大，曲线的斜率逐渐增大，也就是材料质量损失的速率在增大。这是由于热辐射强度的增大，材料的热分解速率也同步加快，产生释放的可燃气体或挥发性物质较多，同时材料的质量也消耗得越快。

三、结论

本文应用氧指数法、水平垂直燃烧法、锥形量热仪法3种方法对几种常用地毯的燃烧性能进行了测试。通过对测试结果的分析，可以看出这几种材料的地毯的使用对消防安全有较大的影响：第一，由氧指数法测出，这几种地毯都属于易燃材料，燃烧所需氧气百分比较少，消防安全性能偏低。第二，由水平垂直燃烧法测出，丙纶地毯燃烧级别属于FH-3、FV-0，纯毛地毯燃烧级别属于FH-1、FV-0，化纤地毯1燃烧级别属于FH-3、FV-1，化纤地毯2燃烧级别属于FH-3、FV-1。这几种地毯在水平方向放置下，纯毛地毯的消防安全性能相对其他几种来说较高；在垂直方向放置下，即竖直放置下，消防安全性能都偏低，都较易燃烧，而且纯毛地毯在燃烧中的滴落物能引燃下面的可燃物。第三，由锥形量热仪法测出，实验中的材料大多存在点燃时间较短、燃烧时产生较大的热量、燃烧时发烟量偏大等火灾危险性特征，有较大的火灾安全隐患。

由以上测试可知，这几种地毯材料的消防安全性能偏低，加之它们的使用较为普遍，对其进行阻燃处理很有必要。因此，从消防安全的角度考虑，当前急需要研究经过阻燃处理的地毯材料，并加以生产推广。

[1]李国华,王林静.试论用氧指数评价燃烧性能级别[J].山东消防, 1998(12).

[2]康茹,尤杰,乙华.室内装修材料的锥形量热仪的对比研究[J].消防科学与技术,2006(5):17-19.

[3]郝权,蒋曙光等.锥形量热仪在火灾科学研究中的应用[J].能源技术与管理,2009(1).

[4]杨宁,宋魁.几种铺地材料燃烧性能的锥形量热计研究[J].消防科学技术,2005(3):1-3.

[5]刘松林.室内装饰材料的燃烧性能研究[D].重庆:重庆大学,2005.

D631

A

1673―2391(2015)12―0116―06

2015-10-16 责任编校：谭立超