（安全技术及工程专业论文）典型软垫家具火灾特性的实验研究.pdf

a b s t r a c t i nd o m e s t i c f i r e s ，l a r g e - s c a l e d c o m b u s t i b l em a t e r i a l ss u c ha s u p h o l s t e r e d f u r n i t u r eh a v ee f f e c to nt h ef i r e p r o p a g a t i o na n ds i z e t h ef i r e h a z a r dp o s e db y u p h o l s t e r e df u r n i t u r ew a sh i g h i i g h t e di nt h e19 7 0 sa n dn u m e r o u sr e s e a r c hp r o g r a m s o nf i r ep e r f o r m a n c eo fu p h o l s t e r e df u r n i t u r ew e r eu n d e r t a k e n i nc h i n a ，s u c hr e s e a r c h w o r ki so n g o i n g t h et e s tm e t h o d su s e di nt h i st h e s i sw e r et h ec o n ec a l o r i m e t e r ( i s o 5 6 6 0 ) a n dt h er o o m c o r n e rt e s t ( i s o9 7 0 5 ) ，a n dt h es a m p l e sw e r ep u r c h a s e df r o m o p e nm a r k e to fc h i n a t h ef i r ep r o p e r t i e so fd i f f e r e n tf a b r i c s ，f l e x i b l ep o l y u r e t h a n ef o a m sa n dt h e i r c o m b i n a t i o n sh a v eb e e ns t u d i e di nac o n ec a l o r i m e t e ro p e r a t e da tar a d i a n tf l u xo f 3 5 k w m 2 t h er e s u l t sw e r eh e l p f u lf o rt h ec h o i c eo f u p h o l s t e r e df u m k u r em a t e r i a l s t h es t u d i e so i lt h ee f f e c to fi g n i t i o nl o c a t i o n sa n dm a t e r i a l so ff u l l - s c a l e u p h o l s t e r e df u r n i t u r eh a v eb e e nc o n d u c t e d i nt h ei s o9 7 0 5r o o m p a r a m e t e r ss u c ha s h e a tr e l e a s e ，t e m p e r a t u r ep r o f i l e so fc e i l i n ga n dd o o r w a yw e r er e c o r d e d ，t h er e l a t i o n b e t w e e nf i r ep r o p e r t yp a r a m e t e r sw e r ed i s c u s s e d m e a n w h i l e ，t h et y p i c a lc o m b u s t i o n p h e n o m e n o nm o d e lo fu p h o l s t e r e df u r n i t u r ew a sg i v e n t h ed a t ad e r i v e df r o mb e n c h s c a l et e s t sa n df u l l s c a l et e s t sw e r ea p p l i e dt o v a l i d a t et h ea p p l i c a b i l i t yo fc l a s s i cp r e d i c t i v ec o r r e l a t i o nm o d e l st ou p h o l s t e r e d f u r n i t u r ep u r c h a s e di no u rm a r k e t t h ee r r o rw a sa n a l y z e d i np r a c t i c e ，t h ec r i t i c a lv a l u eo fh e a tr e l e a s er a t ew h i c hw a sc a l c u l a t e db yt h e p r i n c i p l eo ft h ef i r ee n v i r o n m e n ti nav e n t i l a t e dc o m p a r t m e n tr e s u l t i n gf r o mb u r n i n g u p h o l s t e r e df u r n i t u r ec o u l db eu s e dt oe v a l u a t et h ef i r eh a z a r d k e y w o r d s ：u p h o l s t e r e df u r n i t u r e ，f i r ep r o p e r t i e s ，c o n ec a l o r i m e t e r ，i s o9 7 0 5 ，i g n i t i o n l o c m i o n ，h e a tr e l e a s er a t e ，c o r r e l a t i o nm o d e l ，f i r eh a z a r dr a n k 中国科学技术大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着现代人生活水平的提高，造型繁多、松软舒适的软垫家具已经成为居家休 闲不可缺少的部分。广泛的市场需求使得家具制售行业蓬勃发展，仅合肥地区就有 从事家具生产的企、l e 达百余家。图1 1 给出了组典型的软垫家具及其使用场合。 图1 1典型的软垫家具及使用场合 典型软垫家具组成材料的特肚及软垫家具在使用过程中的不确定因素，使其成 为室内火灾的元凶之一。表1 1 给出了国内与软垫家具相关的典型的重、特大火灾 事故。表1 2 给出了国外与软垫家具相关的火灾l 千t 人员伤亡的统计数据c j 。 目前我国家具市场蓬勃兴盛的现状与生产管理监督不严的实情，使得存在安全 隐患的软垫家具在市场上广为流通，近年来由软垫家具火灾而造成的人员伤亡事故 层出不穷，给人的生命和财产安全造成了极大的威胁。同时相比国外，我们的软垫 家具火灾安全研究起步晚，面i l 右的实际困难多。开展针对我国市场上软垫家具的火 灾特性研究以及合理利用国外已经获得的有价值的研究成果具有重大的实际意义。 中国科学技术大学硕士学位论文 9 8北京 年环岛家具城 电铃过热着火引燃软垫沙发直接经济损失2 0 0 0 多万元 表l 2 国外与软垫家具相关的火灾中人员伤亡统计 注：h s s 健康统计部门；f i r s 一新西兰消防部门的火灾事故报告系统。n f p a 一美国国家消防协会。a f i r s 一澳大利亚火灾事故报告系统，该系统的数据涵盖了澳大刺亚8 1 8 5 的火灾事故，d t l r 一英国运输地方政 府区域部。 中国科学技术大学硕士学位论文 1 1 1 软垫家具火灾危害 舒适的软垫家具质轻、松软、有弹性的特性来源于其中的软质聚氨酯海绵填料， 美观、豪华的形象来源于其外覆的纤维质或热塑性面料。这类家具虽造型精美，坐 卧舒适，但极易着火，而且燃烧速度快，燃烧产生的热量大，还会形成大量含有一 氧化碳、二氧化碳、硫化氢等有毒物质的烟气。研究表明，一个4 5 公斤重的软质 聚氨酯海绵填料沙发，起火时释放相当于2 5 公升汽油燃烧的热量；每克聚氨酯燃 烧时能放出一氧化碳0 2 1 克，氰化氢o 0 0 8 克1 2j 。而空气中一氧化碳的浓度占 5 0 0 p p m 时，2 0 分钟内就会致人死亡，氰化氢的浓度占5 0 0 p p m 时，l o 分钟内就会 致人死亡。 对软垫家具火灾安全研究的主要目标就是认识软垫家具火灾的危害性，尤其是 预测其危害性，这是国际上，特别是国内亟待进行的课题。软垫家具的火灾危害性 具体体现在：第一，制作软垫家具材料的燃烧特性造成的火灾后果；第二，作为室 内最大的固体可燃物之一，燃烧后其热辐射对邻近其他可燃物的作用；第三，软垫 家具燃烧过程中对室内火灾动力学参数造成的影响。 1 1 2 典型的软垫家具 软垫家具主要包括软垫沙发和床垫两大类。床垫的火灾特性很大程度上与覆盖 在上面的卧具有关，具有不可预测性。本文以下提到的软垫家具除特别说明外均指 软垫沙发。 软垫家具自面市以来，不论是造型还是制作使用的材料都发生了很大的变化。 就软垫家具的造型而言，虽然出现了很多新的设计，但其典型的特征还是由坐垫， 靠背和扶手这些基本的组件以近似直角的方式联接组合而成。就软垫家具的制作材 料而言，确是日新月异。表1 - 3 给出了目前在市场上常用于制作软垫家具的材料。 在调研的过程中还了解到一些关于软垫沙发的有趣变化。一，早期的软垫沙发 都以胶压纤维板为坐垫和靠背的底板，这种软垫沙发回弹性不好，舒适性较差。现 在的软垫沙发基本上都采用尼龙带和蛇簧交叉的网编结构为底，回弹性好，坐感舒 适。二，典型欧洲款的沙发，扶手高度大约在3 0 c m 左右，扶手与靠背高度相差不 大：而典型亚洲款的沙发，扶手高度大约在1 5 2 0 c m ，扶手高于坐垫。在我国市 场上，这两种风格的沙发都占了一定比例。 中国科学技术大学硕士学位论文 表1 - 3软垫沙发制作材料( 面料) 面料填料 天全棉织物软 1 8 k g m 辅料，用于扶手处的填充 然棉麻织物 质2 0k g m 辅料，用于扶手处的填充 材毛织物聚 2 5k g m 3 低档的填充材料，也用于中、高档家具靠背处的填充 料皮革氨 2 8 k g m 3 最常用的填充材料，主要用于中、高档家具坐垫处的填充 酯 纤 丝绒材料 3 3k “m 高档的填充制作，多用于坐垫处的填充 类 维 细帆布纤维质类松散填料被封装在衬层中 质 灯心绒阻燃聚氨酯类因添加的阻燃剂不同而派生不同种类 热人造革 骨架 塑化纤可燃材料各种木制骨架，以含水率1 3 的松木最为常见 性尼龙 不燃材料 各种金属材料骨架 注：在实际的家具制作过程中，为兼顾生产成本和产品的舒适性，对同一只沙发，通常会混用不同密度的聚氯 酯海绵。坐垫处的聚氢酯海绵密度最高靠背处的聚氪酯海绵一股与坐垫采用同等级或稍低等级密度扶手处 的聚氨酯海绵密度最低。经调研，经过阻燃处理的聚氢酯海绵在生产过程还没有被广泛采用，台肥地区仅两三 家大型知名家具生产企业会根据顾客的特别要求进行制作。 1 1 3 软垫家具火灾特性 软垫家具的火灾特性是指其在火灾发展中( 轰燃发生之前) 的燃烧行为和性能， 包括若干对火反应行为如点燃、热释放、发烟，以及重要火灾参数如点燃时间、热 释放速率、质量损失速率、发烟速率等。要正确描述软垫家具的火灾特性参数( 如 家具燃烧时释放的热量咀及燃烧产物的组分、浓度和毒性等) 需要借助大量实验结 果，不断改善实验方法，不断探索适宜的实验配置。在许多国家，获得软垫家具的 火灾特征参数和进行火灾危害性评估都是按照一定的标准进行。 目前国际上对软垫家具火灾特性的研究，主要借助锥形量热仪( i s o5 6 6 0 ) ， 墙角火实验台( i s o9 7 0 5 ) 以及家具量热仪( n tf i r e0 3 2 ) 实验方法。国外己开 展了在这方面的研究，并取得了一定的成果。 中国科学技术大学硕士学位论文 1 2 软垫家具火灾特性研究现况 国际上对软垫家具火灾特性的研究最早开始于上世纪七十年代末，九十年代中 期达到了研究的关键阶段，因为软垫家具的制作材料一直被不断的更新，传统的造 型一直被不断的突破，至今软垫家具火灾特性仍然被很多机构作为研究课题。当前 的很多研究主要是针对已经获得的研究成果对目前市场上软垫家具的适用性，以及 这些研究成果对其他国家软垫家具的适用性。另外，如何将已经获得的研究成果投 入实际运用，制定有效降低软垫家具火灾危害性的行业规范也是项重要的工作。 1 2 1 主要的研究 本文在介绍国内外在软垫家具火灾特性研究方面已经取得的成果时，按照时间 的先后顺序列举了几个重点国家研究机构的研究方向及成果。 1 美国： 早在上世纪七十年代末，美国就开始了软垫家具火灾方面的研究，当时的研究 目标是量化软垫家具火灾风险，受实验设备等的限制，早期的实验只获得了特定燃 烧室中软垫家具燃烧时的温度和烟气产物等信息。总得来讲，美国首先研究的是软 垫家具的易燃性，即试验软垫家具抵抗各种不同类型点火源的特性；随后研究的是 软垫家具的燃烧性，即以获得软垫家具的燃烧规模为目的。关于易燃性的研究工作 开始于1 9 7 6 年1 3 ；1 9 8 2 年前后随着首次在俄亥俄州立大学对软垫家具进行小尺寸 实验 ，6 j 以及在n i s t 实验室获得较精确的全尺寸软垫家具热释放速率吲，关于燃 烧性的研究工作也全面展开。n 1 s t 最早提出了用小尺寸锥形量热仪实验中获得的 材料火灾特性参数来预测全尺寸软垫家具火灾规模的思想，并建立了小尺寸全尺 寸数据相关性模型以及预测全尺寸热释放速率曲线的模型口】。 2 欧盟 1 9 9 3 年欧盟开展的软垫家具燃烧特性的专项研究( c b u f ，c o m b u s t i o nb e h a v i o r o f u p h o l s t e r e df u r n i t u r e ) 是目前国际上最完整的软垫家具火灾研究。其主要的研究 成果是 一，将锥形量热仪( i s o5 6 6 0 ) ，墙角火实验台( i s o9 7 0 5 ) 和家具量热仪( n t f i r e0 3 2 ) 用于软垫家具火灾特性研究并规范了它们的试验方法，其部分成果 中国科学技术大学硕士学位论文 已经成为了欧盟国家的相关法规和标准。 二，深入进行了用小尺寸实验中获得的火灾特性参数来预测全尺寸软垫家具火 灾的研究，建立了预测全尺寸软垫家具火灾的热释放速率最大值，达到该最大 值的时间，总释放热和达到人耐受极限状态的时间四个关键参数的模型i ；用 燃烧面积曲线和小尺寸实验的热释放速率曲线求解真实的全尺寸热释放速率 曲线的模型i i ：试图将垂直壁面火的研究成果扩展到软垫家具( 仅指床垫类的 软垫家具) 火蔓延的研究中的模型i i i 。 三，尝试用实验获得的软垫家具燃烧特性参数丰富c f d 软件数据库。 3 其他国家 2 0 0 0 年前后，新西兰进行了大量全尺寸软垫家具火灾实验和小尺寸软垫家具 材料实验”, 1 1 , 1 2 , 1 3 。其目的是验证c b u f 三个预测模型，特别是模型i 对新西兰软 垫家具的适用性，研究表明模型对软垫家具热释放速率最大值的预测误差很大。 英国也开展了很多小尺寸的实验，研究软垫家具制作材料的火灾特性1 1 4 】；同时 制定相关的软垫家具制作行业规范【1 5 , 1 6 ，比较知名的有关于易燃性的测试方法b s 5 8 5 2 t t 7 j 8 ，也借鉴了c b u f 的部分研究成果。 4 我国 我国之前在软垫家具火灾特性方面的研究很薄弱，没有进行过小尺寸的实验研 究，进行的全尺寸实验也很少。天津大学i 旧1 曾设计了家具组件的引燃特性和燃烧特 性试验装置以及相应的测试系统和试验方法，获得了关于热释放速率、火焰蔓延速 度、烟密度以及燃烧产生的毒性气体浓度的试验数据。提出了软垫家具热释放速率 值的估算方法和火蔓延速度的衡量方法以及对软垫家具火灾危险性进行分级的建 议。其研究成果主要在软垫家具易燃性方面，在1 9 9 6 年制定的软垫家具易燃性 的实验和分级方法中有所体现。 1 2 2 主要的应用 投入大量的研究成本进行软垫家具火灾特性研究是为了认识软垫家具火灾发 展的规律，利用规律降低软垫家具的火灾危险性和危害性，其在实际中的实现要依 靠相关的行业规范进行约束。有统计数据表明，软垫家具制作行业规范的实施明显 地降低了软垫家具火灾次数及火灾中人员的伤亡和财产的损失。表1 - 4 给出了英国、 中国科学技术大学硕士学位论文 美国、加拿大的相关统计数据【1 i 。 表l - 4与火灾安全相关的软垫家具规范实施对火灾后果的影响 1 9 8 8 年起强制要求软垫家具面料和填料通过b s5 8 5 2 和b s 7 1 7 7 。1 9 8 8 至1 9 9 7 年，在软 夹 垫家具首先被点燃的室内火灾中，至少拯救了7 1 0 人，使5 7 7 4 人免受伤害；在其他与软 闻 垫家具相关的火灾中，至少拯救了15 0 人，使1 1 2 2 6 人免受伤害。挽回经济损失5 3 0 0 万 英镑。而每个软垫家具用于满足行业标准而增加的成本是1 5 - 2 0 英镑。 $对比规范实施前后，1 9 9 5 相比1 9 7 8 年，与软垫家具相关的室内火灾次数减少了6 8 4 ， 伤亡减少了5 81 ：由于吸烟引发的软垫家具火灾次数减少了7 71 ：伤亡减少了6 l5 ； 幽 由于明火引发的软垫家具火灾次数减少了5 5 7 ；伤亡减少了5 5 。 型对比规范实施前后，1 9 9 7 相比1 9 8 8 年，与软垫家具相关的火灾发生率由1 2 5 - i - t y a t 降至7 1 十万人：伤亡率由9 8 十万人下降至6 9 十万人。 从制定与火灾安全相关的软垫家具行业规范的进程看，规范的制定要先于软垫 家具火灾特性的研究，也就是说规范的发展是一个不断探索和调整的过程。各个国 家的软垫家具行业规范根据各自的国情都会呈现出不同的要求和特点。 美国的软垫家具行业标准是众多相关标准中较为完整的。美国没有形成统一的 软垫家具火灾安全国家标准，不同的标准达数十种且其中非强制性标准占了很大比 例。常用的标准有，加利福尼亚技术公报( c a l i f o r n i a t e c h n i c a lb u l l e t i n ) t b 1 1 6 ， t b 11 7 ，t b 1 3 3 1 2 0 睇口美国保险实验室标准( u l1 0 5 6 ) 【”。 t b 1 3 3 是由n i s t 和加利福尼亚家具局( b h f ) 合作制定的。该标准以制作软 垫家具的材料( 面料、填料和衬料等) 制成的一定尺寸的组合件为实验样品，样品 被放置在尺寸为3 7 m 3 0 m 2 4 m 的标准燃烧室的墙角处，用金属丝固定的五张 双层报纸点燃沙发的背部，测量其燃烧时的热释放速率、温度、烟气浓度、光密度 等参数。合格要求：燃烧室顶棚热电偶温升小于1 1 0 * c ，燃烧室中部热电偶温升小 于2 8 c ，任意3 0 0 s 内c o 的浓度小于1 0 0 0 p p m ，前6 0 0 s 质量损失不大于1 3 6 2 k g ； 前6 0 0 s 总的释热不大于2 5 m j ，热释放速率最大值不大于8 0 k w 。t b 1 3 3 是极其严 格的标准，据统计美国市场上仅2 0 的软垫家具可以满足它的要求【l ”。t b 1 1 7 是 一种组合件明火试验，在加州强制实施；t b 1 1 6 是一种关于阴燃的综合试验，在 加州自愿实施。美国保险实验室标准以全尺寸软垫家具为实验样品，用3 4 0 克的木 垛放置在距离软垫沙发靠背2 5 m m 的坐垫的中间，主要测量其燃烧时的热释放速率 最大值和质量损失等。合格要求：前3 0 0 s 总释放热不大于2 5 m j ，即前3 0 0 s 内的 热释放速率均值小于8 3 k w 。该标准同样要求严格，仅适用于特殊要求的公共场合。 中国科学技术大学硕士学位论文 在欧盟成员国中只有英国和爱尔兰有家用软垫家具的消防安全标准，且这些标 准相当苛严。也有几个国家有公共场所软垫家具的标准，但它们之间有不相同，大 多数也不比t b 1 1 7 严格。 我国于1 9 9 6 年由公安部提出，天津消防所起草了针对软垫家具火灾安全的行 业标准软垫家具易燃性的实验和分级方法川。规范了评价软垫家具抗引燃性及 燃烧特性的试验方法和分级方法。该行业标准以制作软垫家具的材料( 面料、填料 和衬料等) 制成的一定尺寸的组合件为实验样品，根据组件抗不同点火源的引燃性， 将软垫家具的易燃性分为五个级别。 另外，作为最早被进行小尺寸全尺寸实验对比研究的固体可燃物，将软垫家 具火灾特性研究的方式和方法运用到其他类似可燃物的研究中也是被认可的研究 成果之一。 1 3 研究目标及思路 通过对研究现状的分析可以认为，国、内外在软垫家具火灾特性的研究方面己 经获得了一些成果。在这些研究工作中，关注的是软垫家具的危害性，即以获取软 垫家具的热释放速率峰值为主要研究目标。研究认为在一定的实验条件下，软垫家 具的制作材料是决定其热释放速率最大值的主要因素，而软垫家具的骨架、造型等 则是次要因素。本文将引入一个对软垫家具热释放速率最大值产生影响的因素一起 火点，分析并解释起火点影响软垫家具热释放速率最大值的原因，综合软垫家具火 灾过程中经历的各个重要阶段评价由不同起火点引燃的软垫家具的不同火灾危险 性。并通过对起火点的研究获得典型软垫家具燃烧的现象模型。 为了研究软垫家具的火灾特性，必须开展实验研究，包括小尺寸实验和全尺寸 实验。小尺寸实验采用锥形量热仪，获取典型软垫家具制作材料的点燃时间、热释 放速率、质量损失速率、比消光面积等参数。全尺寸实验采用多功能热释放速率实 验台( i s o9 7 0 5 ) ，获取全尺寸软垫家具火灾的热释放速率、有毒气体以及室内温 度分布等参数。用软垫家具制作材料和全尺寸实验获得的数据，验证经典小尺寸 全尺寸数据相关性模型对我国市场上软垫家具的适用性，分析误差产生的原因，提 出模型改进的方向。 为我国的火灾安全与软垫家具相关的行业标准补充提供依据，给出以全尺寸软 中国科学技术大学硕士学位论文 垫家具为样品的关于燃烧特性的分级建议。 1 4 本文的章节安排 论文首先是绪论部分，其中包括本项研究的背景，国内外相关领域的研究现状。 论文的第二章到第六章论述作者的研究工作。 第二章分别介绍锥形量热仪和多功能热释放速率实验台的实验装置、实验原理 等。重点讲述小尺寸、全尺寸实验样品以及全尺寸实验采用的点火源的选择和制作 过程。该章节为全文的分析奠定了基础。 第三章分别对小尺寸实验和全尺寸实验中获得的数据进行分析。评价典型面料 和填料在燃烧过程中对组合件的影响以及起火点和软垫家具制作材料对全尺寸软 垫家具火灾特性参数的影响并分析产生这种影响的原因。该章节为全文的分析提供 了基础数据。 第四章借助国外著名的n i s t 和c b u f 两种小尺寸，全尺寸数据相关性模型，用 小尺寸实验获得的数据来预测全尺寸实验结果，验证经典模型对我国软垫家具的适 用性，分析误差原因，提出模型改进的方向。 第五章借助室内火灾烟气发展的基本规律和能量守恒原理，给出了标准燃烧室 上层烟气温升与可燃物的热释放速率之间的关系，用全尺寸实验数据对分析结果进 行验证并给出标准燃烧室内全尺寸软垫家具燃烧危害性分级的i 临界值。 第六章是论文的结论和以后工作的展望。 虽后是作者在攻读硕士学位阶段完成的学术论文。 中国科学技术大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章实验部分 实验是科学研究中最重要的研究方法之一。对研究软垫家具这一特定对象的火 灾特性，国内外均采用了实验为主，理论为辅的方法。开展全尺寸火灾实验研究是 必要的，它能够客观反映对象在火灾中的实际情况，得到的实验结果真实可靠。然 而，由于实验成本高，实验比较复杂，实施的难度也较大，事实上不可能完成所有 的全尺寸火灾实验。小尺寸实验成本低，操作相对容易，实验便于进行，是获取材 料火灾特性参数的重要工具。因此，将小尺寸实验和全尺寸实验相结合进行软垫家 具的火灾特性研究是一件十分有意义的工作。 为此，中国科技大学火灾科学国家重点实验室在世行贷款帮助下购买了小尺寸 锥形量热仪，在中科院知识创新工程方向性项目资助下建立了全尺寸多功能热释放 速率实验台。本章将对实验装置，实验条件的确定，实验样品的选择和制作作说明。 2 2 小尺寸实验部分 软垫家具的火灾危害性主要由制作家具的材料决定。典型的软垫家具制作材 料，如聚氨酯海绵填料，热塑性及纤维质面料，在燃烧过程中会释放大量的热和有 毒烟气，容易发展成不可控制的火灾并造成恶劣的火场环境。制作软垫家具的面料 和填料，品种繁多且目新月异，对不同材料的软垫家具都进行全尺寸的火灾实验是 不可能的。采用小尺寸锥形量热仪，能以最小的成本，最全面地获得不同面料和填 料及其组合件的火灾特性参数。 2 2 1 实验装置 锥形量热仪( c o n ec a l o r i m e t e r ) 是1 9 8 2 年美国建筑与火灾研究所b a r b r a u s k a s 等人开发的专门用于测量材料热释放速率的仪器，后来又作了扩展，还可用于测量 烟气浓度及c o 和c 0 2 的产生速率阻2 ”。锥形量热仪是当前能够表征材料燃烧特性 的最为理想的实验仪器，它的实验环境与火灾材料的真实燃烧环境接近，其实验结 果与全尺寸燃烧实验结果之间存在很好的相关性。目前，锥形量热仪及其测试方法 中国科学技术大学硕士学位论文 ( i s o5 6 6 0 2 4 2 5 ) 己经发展成衡量材料火灾行为及对火反应特性的使用最为广泛的 手段之一。本文小尺寸实验的工作主要在青岛科技大学的锥形量热仪( 英国f t t 公司) 上完成。 该装置主要由燃烧室、载重台、氧分析仪、烟测量系统、通风装置及有关辅助 设备等六部分组成。图2 - 1 给出了锥形量热仪系统结构简图。 图2 1 小尺寸锥形量热仪系统结构 1 、燃烧室：主要包括锥形加热器、点火器、控制电路、集烟罩等； 2 、载重台：测定样品在燃烧过程中的质量变化情况： 3 、氧分析仪：核心部分，测定燃烧时氧含量的变化，获得材料的燃烧放热情况； 4 、烟测量系统：通过氦氖激光发射器、伪双电子束测量装置等测定比消光面积： 5 、通风装置：抽排燃烧产物，调节气体流速，避免对实验结果造成影响； 6 、辅助设备：根据实际需要，可对装置进行扩展和改造。 锥形量热仪能够测量的参数包括热释放速率、有效燃烧热、总释放热、质量损 失速率、烟气比消光面积、烟气生成速率、点燃时间、熄灭时间以及不同气体的生 成速率等。 2 2 2 实验原理 锥形量热仪根据氧耗法测定热释放速率，其基本原理是：在燃烧多数天然有机 材料、塑料、橡胶等物品时，每消耗1 m 3 的氧气大约释放出1 7 2 m j 的热量( 或者 说每消耗l k g 氧气约释放出1 3 1 1 0 3 k j 的热量) ，其精度在5 以内。主要参数 一热释放速率的计算 2 6 1 基于假设： l 、完全燃烧时消耗单位质量氧气所释放的净热量是常数( h u g g e t t 给出的经验平均 值是e = 1 3 1 m j k g ) ； 中国科学技术大学硕士学位论文 2 、所有气体都是理想气体，即等温等压下单位物质的量的气体体积是常数； 3 、引入气体的成分包括0 2 ，c 0 2 ，h 2 0 和n 2 。这些气体都是惰性组分，并不参与燃 烧反应； 4 、0 2 ，c 0 2 和c o 是通过干法测量的，即水蒸气在分析之前必须去除。 以下给出了主要参数的计算原理： 1 、热释放速率( h r r ，k w i m2 ) ，是预置的热辐射功率下，样品被点燃后，单位面 积的热量释放速率： 1 9 8 2 年，p a r k e r 提出的基于体积流量的材料完全燃烧时的热释放速率计算方 程： 口( ，) = 妒( 卜露妒) 砝吃 其中， 是氧消耗因子： e 是每消耗单位体积氧气所释放的净热( m j m 3 ) ： ：2 0 和爿& 分别是进气中h 2 0 和0 2 的摩尔比例； v 一是标准条件下进入测量系统的空气体积流量( m 3 s ) 。 氧消耗因子：庐= 兰墨 三竺乏 丢罢掣 其中， x 岛、爿矗和j 岛分别是排气管道中测得的0 2 、c 0 2 c o 的摩尔比例； x 邑和如是在测试之前测定的0 2 和c 0 2 摩尔比例。 对于完全燃烧，x c o = o ，则可简化为： 矿= 等掣书拶 消耗单位体积0 2 释放的净燃烧热为： e - ：塑! ：1 7 z m j 一n 1 止= 2 i ， 。 睨， 中国科学技术大学硕士学位论文 其中， 庐1 3 1 m j k g ； ，= o 0 3 2 k g m o l ； 睨，= o 0 2 9 0 k g m o l ； p 0 = 1 1 9 k g m 3 ( 2 5 * c ，1 0 1 1 0 5 p a ) 。 进气中h 2 0 的摩尔比例为：x ：。2 等r h 口 其中， 厶。为常温下的水蒸气压力( m m h g ) ； r h 是相对湿度。 进入系统中的空气体积流量为， 吃2 蒜南 其中， a 是氧气消耗完全的空气膨胀因子： 吃是排气管中的空气体积流量( m 3 s ) ，常温常压下，吃计算公式为： v s = 2 4 9 0 1 0 - 3 1 警s 4a p ) 。5 “。5 其中， 疋是排气管道中的气体温度( k ) ； a p 是经过节流板的压羞( p a ) 。 整合方程得到小尺寸锥形量热仪器热释放速率： 砸叫t 以。) 高o o 。s s ( 钥 2 、总释放热( t h r ， 盯m2 ) ，是预置的热辐射功率下，样品从点燃到火焰熄灭所 释放的热量总和【弱1 ： 中国科学技术大学硕士学位论文 t h ”j 栅 3 、比消光面积( s e a ，m 2 堙) ，是挥发单位质量的样品所产生的烟 2 3 k ” s e a = m 其中，k 是消光系数；v 是体积流速；r n 是质量流速。 4 、有效燃烧热( e h c ，m j k g ) ，是挥发性气体在气相火焰中的燃烧程度2 3 8 h c = h r r m l r 其中，m l r 是质量损失速率，表征样品在一定火强度下的热解、挥发及燃烧程度。 2 2 3 实验条件 锥型量热仪可通过调节不同的热辐射功率来反映样品在不同规模火灾中受到 的热辐射强度。由于样品的热解过程及产物与受到的热辐射强度有关，选择适当的 热辐射功率是很重要的。一般，较低的热辐射功率有利于区分燃烧过程的各个阶段， 便于获得较多的信息，但实验时间长，增加了实验费用。另外，热辐射功率太低时 偏离实际火灾条件过大，也降低了实验数据的价值。据专项研究表明，2 5 k w m 2 的热辐射功率下，绝大多数制作软垫家具的材料( 不包括经过阻燃处理的材料) 可 以被点燃并获得较好的实验结果；3 5 k w m 2 的热辐射功率下，绝大多数制作软垫家 具的材料( 包括大部分经过阻燃处理的材料) 也可以被点燃并获得好的实验结果【8 】。 本文参考美国n f p a2 4 6 a 2 ”，选择了3 5 k w m 2 的热辐射功率。 本文小尺寸实验均在室温1 4 ，湿度4 8 5 的条件下进行。每个样品均进行 了2 - 3 次重复试验。 2 2 4 实验样品 市场上制作软垫家具的材料很多，合理地进行选择会使实验结果更有价值。在 调研了合肥地区十余家家具生产企业后发现，不同厂家使用的面料不仅色彩和图案 上有差别，在成分上也有很大不同；不同厂家使用的填料基本都是软质聚氨酯海绵， 但在规格上也有差异。在调查过程中还发现，小型作坊式厂家使用成分复杂的回收 再生聚氨酯海绵填料的情况比较普遍，厂内的成品堆放混乱，管理松懈，本身就存 型堕型垄鲨坠型鲨兰 在着重大的安全隐患，而几家大型知名企业都设有专门的材料选择房、材料仓库、 成品仓库、生产车间，对生产和人员的管理都比较严格，相应的消防保障措施也很 到位。在材料选择房面料按色彩和成分进行分类，填料按密度划分规格进行展示。 为保证实验结果的代表性和可靠性，本实验的样品在合肥最大的软垫家具生产 企业进行选择和制作，并着重考虑了以- f i n 素： 1 、材料的种类、成分，确保所选材料具有代表性： 2 、材料在软垫家具制作行业的使用情况及其在市场一e 的销售情况，确保所选材料 具有普遍性。 最终，面料选择了棉、化纤、人造革和阻燃布四种；填料选择了2 5 k g m 3 、2 8k g m 3 和3 3 k g m 3 三种规格的软质聚氨酯海绵。面料和海绵的平面尺寸是1 0 0 , n m 1 0 0 m m ，厚度取材料的实际厚度( 填料的实际厚度为5 0 m m ) 。分类详见表2 - 1 。 表2 一l 面料、聚氯酯海绵填料实验样品 实际火灾中，软垫家具的面料和填料在不同时期对燃烧的贡献不同，若独立对 其制作面料和填料进行实验，不能很好地将小尺寸实验数据与全尺寸实验数据建立 联系，为此还制作了由不同面料和填料搭配成的组合件，平面尺寸取1 0 0 m m 1 0 0 m m ，厚度取材料的实际厚度，其制作方法见图2 - 2 ，分类详见表2 - 1 ( 续) 。 中国利掌技术大学硕士学位论文 l 再l 旨l 一1 百面一一 i i 日 一 一基蒹二卜一 1 、按照图2 2 裁剪面料。 2 、在海绵上均匀喷涂专用的胶水。 3 、：l 哿裁剪后的面料包覆在海绵上( 除底面) 注：为了使单独的面料样品质量与组合件中 的面料质量相同面料样品将三层同类型面 料粘合在起。 图2 - 2组合件样品的制作方法 表2 - i ( 续) 组合件实验样品 阻燃布p f 3 3 f r n y 3 3 2 03 实验样品测试前，均在干燥环境中放置2 4 小时以上。实验时其侧面和底面用 确定厚度的铝箔包住，并加上不锈钢边框以减少样品在非受热面的质量和热量损 失。然后将样品水平放置在低密度陶瓷纤维板上，然后通过上方的锥形电子加热器 施加3 5 k w m 2 的热辐射功率，同时启动高压火花点火器将样品点燃，开始测量。 当一段时间内样品的平均质量损失速率低于15 0 9 m 2 时，测量终止。 1 8 中国科学技术尢学硕士学位论文 2 3 全尺寸实验部分 软垫家具是由几个独立可燃组件组合成的固体可燃物。虽然其火灾危害性主要 由制作家具的材料决定r 软垫家具的造型和火灾环境等因素使其燃烧成为一种复杂 的化学物理过程，因此要科学地认识软垫家具的火灾特性必须进行必要的全尺寸实 验。此外，全尺寸实验获得的数据也为小尺寸实验数据提供了比对样本。 2 3 1 实验装置 在全尺寸多功能热释放速率实验台( i s o9 7 0 5r o o m ) 进行软垫家具全尺寸实 验是很好的研究手段，国外很多研究机构( 如欧盟的c b u f 项目等) 就利用它开展 了很多有价值的研究。该实验方法能模拟真实的火灾条件，因此实验结果比较可靠。 实验以获得样品的热释放速率为主要目标，通过扩展附加的测试设备也可获得相关 的室内火灾环境参数。目前，全尺寸多功能热释放速率实验台及其测试方法( i s o 9 7 0 5 ”) 已经发展成为衡量装饰材料、家具等火灾行为及对火反应特性的使用最为 广泛的手段之一。 该装置主要由标准燃烧室、大型量热t 1 及数据采集系统等三部分组成。图2 - 3 给出了多功能热释放速率实验台系统结构简图。 图2 - 3 多功能热释放速率实验台系统结构 1 、标准燃烧室 标准燃烧室内尺寸为2 4 m x 2 4 m x 3 6 m ，属于砖混结构建筑物，为了尽可能减 少实验对燃烧室的损害，室内壁面和项面分别贴有1 5 r a m 厚的耐火玻璃棉。整个燃 中国科学技术大学硕士学位论文 烧室建在一个无机械通风、保温并且足够大的室内空间内，以确保对实验没有影响。 在燃烧室北墙的正中间有一个o 8 m 2 0 m 的门，在其余的墙以及地面、顶棚上 均没有可以通风的通道。为了便于观察房间内的情况，在东面墙上开了一个 2 o m x 2 o m 的观测窗。 在燃烧室地面的几何中心处放置了一个t h e r m o n o b e l 电子秤，其测量范围为 0 - 5 0 0 k g ，测量精度为o 0 0 1 k g ，主要用于测量软垫家具在燃烧过程中的质量损失。 2 、大型量热计 大型量热计主要由集烟罩、排烟系统和测试段构成。 集烟罩开口尺寸为3 0 m 3 0 m ，位于燃烧室出口的正上方，集烟罩上方与排 烟管道相连接，下边缘与燃烧室顶相齐，目的是收集在实验过程中通过门口离开燃 烧室的所有燃烧产物。为了能使燃烧产物尽可能多的进入到集烟罩中，设计时将三 面不锈钢板各向下延伸i 0 m ( 第四面与燃烧室相连) 。 排烟管一端与集烟罩相连，另一端与变频风机相连。选取变频风机可以在实验 中模拟不同的通风状况。通过变频器h i t a c h ij 3 0 0 型调节风机的流量，使得风机 流量在0k g s 4k g l s 范围内可调。为了便于进行流量测量，在排烟管的两端装有 导向叶片，使管道中气流均匀。 测试段是大型量热计的核心部分，其内部安装有：气体成分分析取样探针、监 控体积流量的双向探针、带o 5 m w 光度探测器的h e - n e 激光系统、流量热电偶和 烟气热电偶。 3 、数据采集与处理系统 数据采集与处理系统包括计算机测量系统和摄像记录系统。计算机测量系统由 k 型热电偶、辐射热流计、压差变送器和安装有a g i l e n t 采集卡和数据处理软件的 计算机组成。测试段中的气体采样设备与s e r v o m e x4 0 0 气体分析仪连接，测量烟 气中的0 2 、c 0 2 、c o 浓度；激光设备用来测量烟气的浓度。 实验过程中的实时数据用a g i l e n t3 4 9 7 0 a 型数据采集卡进行采集。a g i l e n t 数 据采集卡的特点是能够支持1 2 0 单端或者4 8 双端。以一个1 1 5 k br s 2 3 2 界面作为 标准，扫描速率可以达到2 5 0 信道秒。一个基于w i n d o w s 的程序包通过简单的数 据采集和分析可以决定测量热释放速率所需的各种参数。它与当前t n o 电子数据 表结合生成文件，可以计算出火焰增长速率指标( f i g r a ) 和烟气增长速率指标 中国科学技术大学硕士学位论文 ( s m o g r a ) 。 全尺寸多功能热释放速率实验台能测量的参数包括热释放速率、有效燃烧热、 总释放热、质量损失速率、烟气比消光面积、烟气生成速率以及不同气体( c o 和 c 0 2 ) 的产生速率等。 为了研究软垫沙发燃烧时燃烧室内烟气温度和中性面位置，在燃烧室门口处安 装了热电偶树。燃烧室门口中心处的烟气温度是通过门口中心垂直处的热电偶树测 量，该热电偶树由十个铠装热电偶组成，它们主要测量门口处流出的热烟气和流入 的冷空气温度。数据采集系统每5 秒记录并保存所有热电偶测得的温度数据。图 2 _ 4 和图2 5 分别给出了安装的铠装热电偶照片和门口中心处热电偶树上热电偶的 位置分布。 图2 - 4铠装热电偶图2 5门口中心处热电偶垂直布置 2 3 2 实验原理 全尺寸多功能热释放速率实验台同样以氧耗法为基本原理。主要参数热释放速 率的计算【2 6 】也以四个假设为基础。 以下给出了主要参数的计算原理： 1 、热释放速率( h r r ，k w ) ，是单位时间内样品燃烧时所释放的热量： 1 9 9 1 年，j a n s s e n s 认为体积流量与特定的温度和压力相关，不同的参考温度和 压力会造成了一定程度的混乱，计算时应避免使用体积流量，而使用质量流量。如 果实验中0 2 、c o 和c 0 2 的浓度都可以测量，则氧气消耗因子为： 中国科学技术大学硕士学位论文 一= 等等搿 其中， 石f 是指实验前0 2 测量的摩尔分数： x 答，是指实验前c 0 2 测量的摩尔分数； x 易是指实验中c o 测量的摩尔分数； x c o 是指实验中c 0 2 测量的摩尔分数； x 。a ，是指实验中0 2 测量的摩尔分数。 ( ) 。= ；廊c 。急2 扣嚣= i 1 ( 卅鲁0 2 争a 吃硅 其中， 廊c 0 是指c o 在采样点的质量流速( k g s ) ； m 是指c o 摩尔质量( = 2 8 k g k m 0 1 ) 。 下游的热释放速率由如下公式给出， 4 r o ，：e 畦一+ ( 魄 其中，扎是指下游的热释放速率。 轧= a & o ：) 。， 其中，e c 。是指单位消耗氧气的质量的净热释放( = 1 7 6 m j k g ) 。 因此根据h e s s 定律，采样处的热释放速率是， 口= 玩。一口。，= e ( 砌戋砌岛) 一( e 。一s ) ( a m o ：) 。， 整合方程得到全尺寸多功能热释放速率实验台热释放速率： 。= 卜一( 卅半鲁 丽函鲁( 书2 0 ) 磋 其中， 中国科学技术大学硕士学位论文 一般情况下用甲烷的值代替，作为通用的值。 质量流量本身与测试仪器相关，其计算公式为： 廊e = 2 6 5 4 志岸 其中， a 是排气管道横截面积( m 2 ) ； l ( c 是速率曲线形状因子； r e 是流体雷诺数； a 尸是经过节流板的压差( p a ) ： t 。是节流板处的气体温度( k ) 。 在此装置，排气管道直径和其中的气体流量比较大，雷诺数一般超过3 8 0 0 。 这时( r e ) 可取常数1 0 8 ，进而大大简化了