火灾化学—第十三讲

1、第六章第六章 材料的火灾安全性评价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。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。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，很容易发生燃烧等阻燃性元素，在外界热源或火源诱导

2、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。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。，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。供理论和实践

3、指导。第一节第一节 概概 述述一、基本概念一、基本概念1. 对火反应特征对火反应特征 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：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；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；火焰传播速率，即火焰沿材料表面的蔓延速率； 耐火性；耐火性； 热量释放速率；热量释放速率； 自熄的难易程度；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，特别是生烟性，包括生烟量、烟的释放速率及烟气组成，特别

4、是有毒气体或腐蚀性气体含量等。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。、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。指标。 由以上分析可见，材料对火反应特性是由以上分析可见，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、发烟燃性、续燃性、火焰蔓延性、放热性、发烟

5、性、产毒性、耐火性等。性、产毒性、耐火性等。2. 火灾危险性火灾危险性 可燃材料的火灾危险性主要表现在：可燃材料的火灾危险性主要表现在： 热危险性热危险性 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。坏。 非热危险性（烟、毒、腐）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；产生毒性产物和窒息性产物，直接威胁

6、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。物品。3. 潜在火灾危险性潜在火灾危险性 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，称为应特性、危害和趋势性是潜藏的、未知的，称为潜在火灾危险潜在火灾危险性性。4. 潜在火灾危险性评价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、烟和可燃材料的对火反应特

7、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潜在火灾危险性评价价。 潜在火灾危险性评价的目的有两个：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；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；为未来材料的选择和设计提供依据；第二节第二节 聚合物材料的火灾安全性评价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：聚合物材料的火灾危险性可分为两类：

8、热危险性热危险性 与燃烧过程中热量的释放有关。与燃烧过程中热量的释放有关。 非热危险性非热危险性 与燃烧过程中释放的烟气、毒性和腐蚀性与燃烧过程中释放的烟气、毒性和腐蚀性 燃烧产物有关燃烧产物有关一、热危险性一、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。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）（一） 评价指标评价指标 1. 着火性着火性 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。气体被点燃的能力。 材料的着火温度越高，材料也就越安全。材料的着火温度越高，材料也就越安全。 材料的着

9、火性可以通过自燃和闪点的温度来衡量，也可以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（根据锥形量热仪测量的点火时间（TTI）来衡量，或者根据点燃）来衡量，或者根据点燃材料所需的最小热辐射通量来衡量。材料所需的最小热辐射通量来衡量。 材料的点燃时间（材料的点燃时间（TTI或或tig）是使材料表面恰好能维持有焰）是使材料表面恰好能维持有焰燃烧时需要的时间，以秒（燃烧时需要的时间，以秒（s）为单位。）为单位。TTI越长，表明聚合物越长，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。材料在此条件下越不易点燃，材料的阻火性越好。 2. 熄灭的难易性熄灭的难易性

10、 材料着火后，越易被熄灭，可能带来的火灾危险性就越小。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 火焰传播速率：是指火焰沿一个固体表面持续着火时，火火焰传播速率：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。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。的时间。 4. 热释放速率（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。后单位面积的热释放速率。 HRR是表征火

11、灾危险性的重要参数。是表征火灾危险性的重要参数。 5. 火灾性能指数（火灾性能指数（FPI） 它是点燃时间（它是点燃时间（TTI）与热释放速率峰值（）与热释放速率峰值（PkHRR）的比值。它是）的比值。它是材料本身的一个属性。材料本身的一个属性。 FPI值越高（值越高（FPI1），表示火灾危险性越小；数值越低（），表示火灾危险性越小；数值越低（FPI1）表示火灾危险性越大。）表示火灾危险性越大。 6. 火灾蔓延指数（火灾蔓延指数（FGI） 它是热释放速率峰值（它是热释放速率峰值（PkHRR）和到达峰值时间（）和到达峰值时间（tPkHRR）的比值。）的比值。 FGI越大，表明达到一个较高热释放速

12、率峰值所用时间越短，则火灾越大，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。危险性越大。 7. 烟气参数（烟气参数（SP） 它是热释放速率峰值（它是热释放速率峰值（PkHRR）和特殊消光面积（）和特殊消光面积（SEA）的乘积与）的乘积与1000的比值。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。员疏散和逃生的难易程度。其数值越低，危险性越小。 （二）（二） 对火反应测试方法对火反应测试方法 1. 极限氧指数（极限氧指数（LOI）法）法极限氧指数（极

13、限氧指数（LOI）定义：）定义： 在规定试验条件下，试样在氮、氧混合气体中，维持平衡在规定试验条件下，试样在氮、氧混合气体中，维持平衡燃烧所需的燃烧所需的最低氧浓度最低氧浓度（体积百分含量）。（体积百分含量）。测定标准方法：测定标准方法： ISO 4589、ASTM D2863、GB 2406-80测定仪器：测定仪器： 氧指数仪氧指数仪氧指数测定仪氧指数测定仪2. UL94法（可燃性的测定）法（可燃性的测定）可燃性定义：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，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。能进行有焰燃烧的材料，归为可燃材料

14、。测定标准方法：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。行为。UL 94、ISO 12992、ISO 1210、GB 2408-80、GB 4609-84测定仪器：测定仪器： 水平、垂直燃烧试验仪水平、垂直燃烧试验仪水平、垂直燃烧试验仪（1） 垂直燃烧试验（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，料分级，其中，V-2级为最低阻燃级，级为最低阻燃级，V-0为最高阻燃级。为最

15、高阻燃级。UL 94 V-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o若时间超过若时间超过30s，移走点火源后，试样还没燃烧到，移走点火源后，试样还没燃烧到25mm标记处，并自标记处，并自动熄灭，则可划归为动熄灭，则可划归为94 HB级；级；o若时间不到若时间不到30s，试样就燃烧到，试样就燃烧到25mm标记处，则撤去火焰，从火焰燃标记处，则撤去火焰，从火焰燃经经25mm标记处时开始计时，到标记处时开始计时，到100mm处或燃烧熄灭时计时结束，计算处或燃烧熄灭时计时结束，计算燃烧速率。燃烧速率。o对厚为对厚为3-13mm的试样，若燃烧速度的试样，若燃烧速度38mm/min；或

16、对厚度小于；或对厚度小于3mm试试样，燃烧速度样，燃烧速度76mm/min；或试样燃烧；或试样燃烧100mm前火即熄灭，则该塑料前火即熄灭，则该塑料可划归为可划归为94 HB级。级。（2） 水平燃烧试验（水平燃烧试验（94HB）3. 锥形量热仪法锥形量热仪法锥形量热仪(Cone Calorimeter)锥形量热仪(BSE Cone Calorimeter)锥形量热仪(BSE Cone Calorimeter) 锥形量热仪的测试参数锥形量热仪的测试参数（1） 热释放速率（热释放速率（HRR） HRR指单位面积样品释放热量的速率。指单位面积样品释放热量的速率。 单位：单位：KW/M2。 HRR的最

17、大值为热释放速率峰值（的最大值为热释放速率峰值（PkHRR）。）。 HRR或或PkHRR越大，聚合物材料表面接收的热反馈越多，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。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（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。指单位面积的材料从开始燃烧到结束所释放的热量。 单位：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，越大，说明聚合物材料燃烧

18、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。即聚合物材料在火灾中的危险性就越大。（3） 有效燃烧热（有效燃烧热（EHC） EHC指某一时刻指某一时刻 t 时所测得的热释放量与质量损失量之比。时所测得的热释放量与质量损失量之比。 单位：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。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（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。是恰好维持材料表面有焰燃烧时对应的时间。 单位：单位：S。 TTI越长，表明聚合物材料在此条件下越不易点燃，材料的越长，表明聚合物材料在此条件下越不易点燃

19、，材料的阻燃性就越好。阻燃性就越好。（5） 质量损失速率（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。是聚合物材料在燃烧时质量损失的变化速率。 单位：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（热重分析（TG）法）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。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（间的关系，最终从记录的热失重

20、（TG）曲线上解析热解失重速）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。中活化能的变化，推断热解反应机理。5. 数值实验模拟数值实验模拟 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。某些层次或某些方面属性的模拟或复现。二、非热危险性二、非热危险性 火灾烟气是由多种物质

21、组成的具有较高温度的云状混合物，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：主要包括： 燃烧产生的气相产物；燃烧产生的气相产物； 在流动过程中卷吸进入的空气；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。多种微小的固体颗粒和液滴。烟气的危险性主要表现在：烟气的危险性主要表现在： 降低可视度；降低可视度； 气态产物的毒性和腐蚀性。气态产物的毒性和腐蚀性。评价指标和模型评价指标和模型1. 材料的生烟性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：根据测定原理，可将生烟量测定方法分为两类：l 光学法光学法测定测定烟密度烟密度；l 质量法质量法测定烟尘质量。测定烟尘

22、质量。烟密度箱（烟密度箱（NBS烟箱）烟箱） 烟密度箱主要由：辐射加烟密度箱主要由：辐射加热器、引燃器、光电测量仪表、热器、引燃器、光电测量仪表、记录仪等组成。记录仪等组成。 实验时，将试样在箱内燃实验时，将试样在箱内燃烧产生烟雾，并测定穿过烟雾烧产生烟雾，并测定穿过烟雾的平行光束的透光率（的平行光束的透光率（T）变）变化，再计算化，再计算比光密度比光密度。比光密度（比光密度（Ds）：）：单位面积试样产生的烟扩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散在单位容积烟箱单位光路长的烟密度。100lgVDsALTA 试样暴露面积，试样暴露面积，mm2 ；V 烟箱容积，烟箱容积，mm3

23、 ；L 光路长，光路长，mm ；T 透光率，透光率，% 。100132lgDsT2. 燃烧毒性燃烧毒性 塑料燃烧产物的毒性可以化学法、生理法、生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。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。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，再测定水溶液水中

24、，再测定水溶液pH值或滴定其中的酸含量，以值或滴定其中的酸含量，以评价燃烧产物的腐蚀性。评价燃烧产物的腐蚀性。IEC 754-2 法测定燃烧产物腐蚀性仪器示意图三、综合性评价三、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。考虑在内。 火灾是分步进行的：火灾是分步进行的： 首先，材料必须被点燃；首先，材料必须被点燃； 其次，火灾必须从燃点蔓延；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

25、生。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。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：火灾风险函数不是简单的加和形式，而是乘积形式： R = Af(点燃点燃)a Bf(发展发展)b Cf(烟气烟气)c Df(毒性毒性)d 第三节第三节 无机材料的火灾安全性评价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。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，它在火灾中的危无机材料一般属于不可燃材料，它在