《阻燃材料与技术》课件 第1讲 绪论

《阻燃材料与技术》第1章

绪论第一章

绪论本节学习目标：教学要求：认识和掌握火灾的危害、分类和特点、常见原因及发生与发展规律，掌握建筑阻燃材料的分级评价方法，了解阻燃技术的研究进展和发展趋势。重点与难点：火灾的发生与发展以及阻燃材料分级评价方法。1.1.1火灾的危害“就世界的解放作用而言，摩擦生火还是超过了蒸汽机。因为摩擦生火第一次使得人支配了一种自然力，从而最后与动物界分开。”——恩格斯1.1.1火灾的危害燃烧在时间或空间上失去控制则会造成火灾。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。年份火灾发生次数/万起死亡人数/人受伤人数/人直接经济财产损失/亿元火灾发生率/起每十万人口火灾死亡率/人每百万人口202282.52053212271.658.4145.4202174.81987222567.553.0140.7202025.2118377540.117.883.8201923.3133583736.116.695.4201823.7140779836.817.0100.8201728.1139088136.020.2100.0201631.21582106537.222.6114.4201533.81742111239.524.6126.7201439.51817149343.928.9132.8201338.92113163748.528.5154.5表12013-2022年我国火灾事故统计1.1.1火灾的危害燃烧在时间或空间上失去控制则会造成火灾。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。造成经济损失破坏文明成果明历三年正月十八，日本江户发生大火，造成10.7万人葬身火海5·6大兴安岭特大森林火灾造成直接经济损失5亿多元，间接损失69.13亿元危害生命健康安全4·15巴黎圣母院火灾给法国、欧洲，乃至世界造成了无法挽回的文化损失1.1.1火灾的危害燃烧在时间或空间上失去控制则会造成火灾。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。破坏生态环境影响社会稳定2021年，科威特一堆积5200万条废弃轮胎的垃圾场失火，释放出大量硫化物和致癌物，严重危害生态环境9·11事件是美国历史上最为严重的恐怖攻击行动，美国民众对经济及政治上的安全感被严重削弱1.1.1火灾的危害2022年3月，火灾科学国家重点实验室主任刘乃安教授在中国科技大学第六届墨子·云论坛对火灾防治的重要性进行阐述。1.1.1火灾的危害

英国格伦费尔大厦发生火灾2022年9月16日长沙电信大楼火灾11·15上海静安区高层住宅大火2·9中央电视台大火事件1.1.1火灾的危害2017年6月14日凌晨，位于伦敦肯辛顿区一栋24层公寓突发大火，导致71人丧生。当地媒体报道称，这是英国自二战结束以来死亡人数最多的一场火灾。1.1.1火灾的危害按照可燃物的类型和燃烧特性分类：根据不同的需要，火灾可以从不同的角度进行分类，如按照可燃物的类型和燃烧特性、损失严重程度和发生场景等进行分类。火灾分类描述举例A类火灾固体物质火灾木材及木制品、棉、毛、麻、纸张、粮食等物质火灾B类火灾液体或可熔化的固体物质火灾汽油、煤油、原油、甲醇、沥青、石蜡等物质火灾C类火灾气体火灾煤气、天然气、甲烷、乙烷、氢气、乙炔等气体燃烧或爆炸发生的火灾D类火灾金属火灾钾、钠、镁、钛、锂、铝镁合金等金属火灾E类火灾带电火灾变压器、家用电器、电热设备等电气设备以及电线电缆等带电燃烧的火灾F类火灾烹饪器具内烹饪物（如动植物油脂）火灾烹饪器具内的动植物油脂火灾1.1.2火灾的分类和特点按照损失严重程度分类：根据不同的需要，火灾可以从不同的角度进行分类，如按照可燃物的类型和燃烧特性、损失严重程度和发生场景等进行分类。指标火灾等级死亡人数重伤人数直接经济损失特别重大火灾死亡人数≥30人重伤人数≥100人直接经济损失≥1亿元重大火灾10人≤死亡人数<30人50人≤重伤人数<100人5000万元≤直接经济损失<1亿元较大火灾3人≤死亡人数<10人10人≤重伤人数<50人1000万元≤直接经济损失<5000万元一般火灾死亡人数<3人重伤人数<10人直接经济损失<1000万元按照发生场景分类：建筑火灾、交通工具火灾、石油化工火灾、历史文物建筑火灾、森林草原火灾、海上油井火灾等。1.1.2火灾的分类和特点火灾发生的原因主要有电气、生产作业不慎、生活用火不慎、吸烟、玩火、自燃、雷击、放火等。2021年我国火灾原因分布情况1.1.3火灾发生的常见原因电气电气火灾既涉及电气设备设计、制造及安装，也与设备投入使用后的维护管理、安全防范等相关，其中电线短路故障、过负荷用电、接触不良、电气设备老化故障等是造成电气火灾的主要原因。生产作业不慎生产作业不慎主要指生产作业人员违反生产安全制度及操作规程而引起的火灾。如在易燃易爆的车间内动用明火，引起爆炸起火；将性质相抵触的物品混存在一起，引起燃烧爆炸等。生活用火不慎生活用火不慎主要指居民家庭生活用火不慎，包括照明不慎、烘烤不慎、敬神祭祖、炊事用火不慎、蚊香使用不慎、炉具故障及使用不当等引发火灾。吸烟烟蒂和点燃烟后未熄灭的火柴梗温度可达到800℃，远高于纸张、棉花等一般可燃物的燃点，极易引起可燃物燃烧。例如，在商场、石油化工厂、汽车加油加气站等具有火灾、爆炸危险的火灾高危场所违章吸烟极易引发火灾。1.1.3火灾发生的常见原因玩火玩火引发的火灾在我国每年都占一定比例，其中未成年人玩火取乐是引发火灾的常见原因之一。燃放烟花爆竹也属“玩火”范畴，我国每年春节期间70~80%火灾是由燃放烟花爆竹所引起的。雷击雷击能在短时间内将电能转变成机械能、热能，并产生各种物理效应，对建筑物、电气设备等破坏巨大，极易引起火灾和爆炸事故。例如，雷击时产生数万至数十万伏电压，足以烧毁电力系统的发电机、变压器、断路器等设备，造成绝缘击穿而发生短路，引起火灾或爆炸事故；雷击产生巨大的热量，可以使金属、混凝土构件、砖石表层等熔化，造成可燃物燃烧起火。放火放火主要是指采用人为放火方式蓄意制造火灾的行为。这类火灾为当事人故意为之，通常经过一定的策划准备，因而往往缺乏初期救助，火灾发展迅速，后果严重。常见的放火动机有报复、获取经济利益、掩盖罪行、寻求精神刺激、对社会和政府不满、精神病患者放火、自焚等。1.1.3火灾发生的常见原因火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，而燃烧是可燃物与氧化剂之间发生的一种化学反应。视频：Whatisfire？

火灾是失去控制的燃烧现象，而燃烧的发生和发展，必须具备三个必要条件即燃烧的三要素：可燃物、助燃物和点火源。1.1.4火灾的发生与发展点火源凡是能引起物质燃烧的点燃能源，称为点火源。在一定条件下，各种不同可燃物只有达到一定能量才能引起燃烧。可燃物凡是能与空气中的氧或其他氧化剂起燃烧反应的物质，称为可燃物，按其物理状态可以分为气体可燃物、液体可燃物和固体可燃物。助燃物凡是与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质，称为助燃物。多为含碳和氢的化合物，某些金属在一定条件下也可以燃烧，如镁、铝、钙等。如高锰酸钾、氯气、过氧化钠、氯酸钾等物质可以作为燃烧反应的氧化剂。如明火、电弧、电火花、雷击、高温、自燃引火源等均可以作为燃烧反应的点火源。1.1.4火灾的发生与发展即使具备了以上三要素并且相互结合、相互作用，燃烧也未必发生。要发生燃烧，以上三个要素还必须达到一定的量，如点火源需要达到足够的热量和温度，助燃物和可燃物也需要有一定的浓度或数量。燃烧能发生时，三要素之间形成了封闭的三角形，即着火三角形。燃烧三要素都存在燃烧一定能发生吗？1.1.4火灾的发生与发展自由基，也称为游离基，是一种高度活泼的化学基团，能与其他自由基和分子发生反应，从而使燃烧按链式反应的形式扩展。多数燃烧反应不是直接进行的，而是通过自由基团和原子这些中间产物瞬间进行的循环链式反应。自由基的链式反应是这些燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中的物理现象。燃烧三要素是燃烧的必要非充分条件！因此，完整地论述，大部分燃烧发生和发展需要四个必要条件，即可燃物、助燃物、点火源和链式反应自由基，燃烧条件可以进一步用着火四面体来表示。1.1.4火灾的发生与发展火灾的发展对建筑火灾而言，燃烧最初发生在室内的某个房间或某个部位，然后由此蔓延至相邻的房间或区域，以及整个楼层，最后蔓延到整个建筑物。室内火灾发展过程大致可分为初期增长阶段、成长发展阶段、猛烈燃烧阶段和衰减熄灭阶段。1.1.4火灾的发生与发展火灾的发展初期增长阶段火灾发生后，最初仅起火部位及周围可燃物小范围着火燃烧，此时燃烧面积较小，局部温度较高，室内温度分布不均匀，平均温度低，火灾发展较慢，供氧相对充足，火势不稳定，燃烧状况与敞开环境燃烧类似。受可燃物性能、分布和通风、散热等条件的影响，燃烧的发展大多比较缓慢，可能会出现下列三种情况：最初着火的可燃物燃尽而火灾终止；通风受限，火灾将自行熄灭或以缓慢继续燃烧；存在足够可燃物且通风良好，火灾将迅速成长发展。1.1.4火灾的发生与发展火灾的发展成长发展阶段建筑火灾持续燃烧一定时间后，燃烧范围不断扩大，温度升高，燃烧热对流和热辐射显著增强，室内可燃物在高温作用下，不断受热分解出可燃气体。当房间内温度达到400~600℃时，室内绝大部分可燃物起火燃烧，这种在限定空间内可燃物的表面全部卷入燃烧的瞬变状态，即为轰燃。但需要注意的是，不是每场火灾都会出现轰燃，大空间建筑、比较潮湿的场所就难以发生轰燃。1.1.4火灾的发生与发展火灾的发展猛烈燃烧阶段轰燃发生后，室内可燃物全面燃烧，并进入猛烈燃烧阶段。此阶段中，可燃物热释放速率升高，并出现持续高温，可达800~1000℃，火焰和高温烟气在火风压作用下，会从房间的门窗、孔洞等处大量涌出，沿走廊、吊顶迅速向水平方向蔓延扩散。同时，由于烟囱效应，火势会通过竖向管井等向上蔓延。在火灾作用下，室内设备机械强度降低，构件开始变形坍塌。此时，火灾救援工作开展较为困难，往往需要组织大批的灭火救援力量，甚至付出较大代价，才能控制火势、扑灭火灾。1.1.4火灾的发生与发展火灾的发展衰减熄灭阶段在猛烈燃烧阶段后期，随着室内可燃物数量减少，火灾燃烧速度减慢，燃烧强度和温度逐渐降低。一般而言，室内平均温度降到温度最高值的80%时，可以认为火灾进入衰减熄灭阶段。但需要注意的是，在该阶段前期，燃烧仍十分猛烈，火场的高温余热仍能维持一段时间。当可燃物全部烧光之后，火场室内外温度趋于一致，火势即趋于熄灭。1.1.4火灾的发生与发展1.2材料燃烧与阻燃可燃材料具有潜在的火灾危险性，包括热伤害（燃烧释放的热量）和非热伤害（烟气和毒性）。火灾中因窒息和烟气中毒造成的人员伤亡可占火灾总伤亡人数的80％以上。减少可燃材料热和非热灾害防火阻燃及灭火技术——根本

热伤害可燃物的燃烧火灾危害非热伤害可燃物体通过特殊方法处理后，材料本身具有防止、减缓或终止燃烧的性能阻燃防火采用某种方法使可燃物体在受到火焰侵袭时不会快速升温而遭到破坏防火和阻燃是两回事，但目的都是使燃烧终止通过在物体中加入阻燃剂来实现采用在被保护物体表面涂覆难燃物质（如防火涂料）来实现难燃物质中通常也加入了阻燃剂或防火助剂从这一角度看，防火阻燃原理是类似的初期增长阶段成长发展阶段轰燃猛烈燃烧阶段衰减熄灭阶段表面和内部热分解及热氧化分解产物与火焰反应建筑物火灾抵抗力时间温度防火阻燃主要作用于“初期增长阶段”和“成长发展阶段”1.2材料燃烧与阻燃阻燃技术使得火灾中的逃生成为可能！阻燃技术的使用抑制了终端产品的着火，延缓了火灾壮大和蔓延的速度，大大提高了人员逃生的几率。相关阻燃产品生产产家和独立的火灾安全监督机构通过大量的测试所证实。按照英国带软垫家具火灾管理条例通过实验比较由未阻燃材料制造的沙发椅和阻燃材料制造的沙发椅。采用30千瓦的煤气火焰点燃座椅。未阻燃的沙发椅在2分钟内炽烈燃烧，而阻燃的沙发椅需要经过22分钟才能达到同样的危险等级。1.2材料燃烧与阻燃1.2材料燃烧与阻燃材料火焰传播速度烟密度未阻燃材料A阻燃材料B然而，部分情况下聚合物在阻燃处理后，燃烧产生的烟和有毒气体不降反升，因此人们有时认为阻燃处理反而会使聚合物的火灾危险性增加。但这类实验结果一般为材料单位质量或单位面积燃烧所产生的烟或有毒气体的量，而实际火场中形成的烟和有毒气体的总量还与燃烧材料总量有关。因此，阻燃材料的烟密度及毒性指数不一定比同类未阻燃材料高，而材料的火焰传播速率及热释放速率则因阻燃剂的使用而大幅度降低。燃烧性能等级AB1B2B3名称不燃材料（制品）难燃材料（制品）可燃材料（制品）易燃材料（制品）GB8624-2012GB8624-2006GB8624-1997GB8624-88燃烧性能测试参数点燃性能焰尖高度、氧指数、引燃或阴燃现象火焰传播性燃烧增长速率指数、损毁长度、续燃时间、阴燃时间、垂直燃烧性能、平均燃烧时间、平均燃烧高度热释放性能总热值、临界热辐射通量、600s内总放热量、单位面积热释放速率峰值、热释放速率峰值、5min内总热释放量、10min内总热释放量生烟性能烟密度等级、最大烟密度耐火性能炉内温升、质量损失率、持续燃烧时间1.2材料燃烧与阻燃Thescienceofflameretardancy阻燃科学的定义：是研究如何使可燃物质变得不能点燃或难以点燃、降低燃烧扩散速度、减少燃烧过程中的发烟量和毒气生成量及其相关机理的一门科学。研究对象：一切需要阻燃的可燃物质。1.3阻燃技术的发展简介1.3.1早期阻燃技术发展简介重要研究进展时间硫酸铝钾阻燃处理木材约450年BC硫酸铝钾和醋的混合物阻燃处理木材约200年BC粘土和石膏混合物用于阻燃剧院窗帘1638年矾液、硫酸亚铁和硼砂阻燃处理木材和织物1735年硫酸铝钾用于降低气球的可燃性1783年磷酸铵、氯化铵和硼砂的混合物阻燃处理大麻和亚麻1821年锡酸钠和硫酸铵阻燃处理棉花1913年采用磷酸酯或磷酸盐将纤维素羟基部分酯化以赋予织物阻燃性，尤其是美国生产的三聚氰胺-甲醛-磷酸酯衍生物现仍被应用如织物阻燃领域。第二次世界大战期间，美国以四羟甲基氯化磷作为纤维素阻燃剂，英国在此基础上开发了Proban棉纤维阻燃处理工艺。1.3.2近代阻燃技术发展简介耐久型阻燃织物20世纪30年代，美国研发了以氧化锑和氧化钛处理织物的耐久阻燃工艺。人们还利用纤维素内的活性羟基，通过化学方式提高了纤维制品阻燃耐久性。1.3.2近代阻燃技术发展简介氯化石蜡/氧化锑协同阻燃体系第二次世界大战期间，军队对阻燃、防水帆布帐篷的需求，促进了含氯化石蜡/氧化锑阻燃体系的发展。这类阻燃体系首次确定了卤-锑协同效应，并采用有机卤化物来替代无机盐以阻燃处理聚合物。卤-锑协同效应的发现被誉为阻燃化学的一个里程碑，对现代阻燃技术的发展具有深远的影响，至今仍是阻燃领域内极其活跃的研究热点。反应型阻燃剂在实际使用过程中人们发现，氯化石蜡的加入不仅会恶化不饱和聚酯层压板的物理性能，还会出现阻燃剂溢出、阻燃性降低等问题。20实际50年代初期，美国研发出首个含反应型阻燃剂单体（海特酸）的阻燃聚酯，随后又研制出多种反应型含卤或含磷的阻燃剂单体，均可用于聚合物的阻燃处理。海特酸四氯邻苯二甲酸酐丙烯酸五溴苄酯1.3.2近代阻燃技术发展简介1965年，人们开始研发惰性添加型阻燃剂，这拓展了聚合物阻燃剂的范围。从20世纪60年代至今，有机添加型阻燃剂一直是阻燃领域内的主力军，占有机阻燃剂总消耗量的85%以上（反应型仅15%左右）。添加型阻燃剂Dechloraneplus（德克隆）具有高熔点、高热稳定性等特点，对塑料电气性能和防水性影响小，还能提高其热变形温度和抗弯模量，且在高温和潮湿环境中也无渗出问题。氢氧化物被广泛作为添加型阻燃剂用于聚合物阻燃领域，但氢氧化物只有在添加量较高时才能有效提高阻燃效能，在聚烯烃领域中应有受到极大限制。德克隆1.3.2近代阻燃技术发展简介膨胀型阻燃体系1971至2013年膨胀型阻燃剂专利情况人们基于炭的高阻燃性研发了一种新的阻燃体系——膨胀型阻燃剂。应用于易燃聚合物时，膨胀型阻燃剂能催化聚合物骨架或其自身的炭组分裂解为膨胀炭层，阻止聚合物燃烧过程中的传热传质，从而赋予聚合物更高的阻燃性能，并减少燃烧过程中的烟气释放，其中酸源、碳源和气源是其发挥膨胀阻燃作用的三个主要成分。1.3.2近代阻燃技术发展简介由于部分卤系阻燃材料在燃烧受热分解时会产生二噁英等剧毒、致癌物质，基于对环境保护的要求，阻燃材料的无卤化在全球呼声日益高涨。从长远来看，阻燃材料正朝向低毒、低烟、无卤化方向发展。无卤阻燃剂1.3.2近代阻燃技术发展简介二噁英（Dioxin）热稳定性：800℃才降解，大量破坏温度需要超过1000℃；低挥发性：蒸汽压极低，因而除了气溶胶颗粒吸附外，在大气中分布极少，而在地面可以持续存在；脂溶性：极具亲脂性，耐酸碱及氧化、极难溶于水；降解性：环境中稳定性高，平均半衰期约为9年。硅系阻燃剂磷系阻燃