两种地毯燃烧性能的实验研究
高磊1 李会荣2 刘今烁1
（1.武警学院研究生三队，河北 廊坊；2.武警学院消防工程系实验中心，河北 廊坊）
摘要：地毯是常用的铺地材料，由于其可燃的燃烧特性，不仅增大了室内的火灾荷载，也助推了火势在水平方向上的蔓延，地毯的火灾危险性是不容忽视的。本文选取羊毛地毯和丙纶地毯作为研究对象，通过地毯燃烧性能45°测试和在线烟气成分分析等试验研究其燃烧性能，并对比分析其火灾危险性。研究结果表明：丙纶地毯比羊毛地毯的火灾危险性高，更易于被引燃，引燃后火势蔓延和产生有害烟气速度更快，更不利于火灾初期人员的安全疏散；羊毛地毯的烟气产生总量较丙纶地毯大，其存在的潜在危险性也很大。
关键词：地毯；蔓延性能；烟气成分；热辐射强度
1 引言
地毯可以改善室内环境、美化建筑空间，但其可燃性、产烟性以及烟气毒害性等燃烧特性对建筑火灾的发生、发展和蔓延也有重要影响。因此，研究常用地毯的燃烧性能，合理准确评价地毯的火灾危险性，对指导地毯的选择、安全使用和室内建筑火灾的预防与控制具有一定的指导意义。
目前国内外很多学者就铺地材料的火灾危险性进行了探讨和实验研究，但这些研究所选地毯种类和试验方法均比较单一，并且没有对地毯在火灾时的烟气成分及其毒害性进行深入探讨［1～3］。然而在火灾初期影响人员安全疏散最重要的因素是烟气的毒性。而且近年来建筑火灾中丧生的人，80％以上是因为吸入了火场有毒气体而死，而不是由于火的高温造成的［4］。针对上述不足，本文选取了使用越来越多的羊毛地毯和常见的丙纶地毯作为研究对象，通过地毯45°燃烧测试仪试验和在线烟气分析试验分别研究地毯燃烧时的蔓延性能和烟气成分的变化规律。
2 实验研究部分
2.1 实验仪器
本文选用了南京市江宁区分析仪器厂生产的JC-01型地毯45°燃烧仪，实验装置如图1（a）所示。英国FTT公司生产的锥形量热仪，以及德国MRU GmbH公司生产的多组分烟气分析仪。该烟气分析仪有8个气体通道，因此可用于半连续自动测量烟气中的SO2、CO、NO、CO2等8种气体的含量变化情况。基于锥形量热仪平台，将多组分烟气分析仪上带有气体探头的软管与锥形量热仪的一级过滤器相连，抽取烟气并进行成分和含量的分析。在线烟气成分分析系统的结构图见图1（b）。
图1 实验仪器及结构图
2.2 实验材料及制备
选取羊毛地毯和丙纶地毯作为研究对象，实物图如图2所示。
图2 实验材料实物图
实验前，按照国家标准和实验要求，将地毯裁制成标准试样，试样的尺寸见表1。
表1 不同实验的试样尺寸
2.3 实验方法及方案
2.3.1 地毯燃烧性能45°试验方法及方案
根据GB/T 14768—93《地毯燃烧性能45°试验方法及评定》，测试地毯以45°倾斜放置时，地毯试样表面在火焰作用下的燃烧性能。在规定的试验条件下，对45°倾斜放置的地毯试样表面点火一定的时间，测量其持续燃烧时间、阴燃时间和烧损长度。具体实验方案见表2。
表2 地毯燃烧性能45°试验实验方案
注：正面—地毯纤维表面；底面—地毯背衬。
2.3.2 在线烟气成分分析试验方法及方案
在线烟气成分分析是将多组分烟气分析仪与锥形量热仪联用，基于锥形量热仪平台，应用多组分烟气分析仪实时在线检测不同热辐射强度下羊毛地毯和丙纶地毯燃烧过程中烟气成分的浓度变化情况。通过模拟地毯在火灾条件下烟气中有毒有害气体的产量变化情况，进而研究材料的产烟特性。具体实验方案见表3。
表3 在线烟气成分分析试验实验方案
3 实验结果与讨论
3.1 地毯燃烧性能45°测试试验的结果与分析
根据GB/T 14768—93《地毯燃烧性能45°试验方法及评定》，应用地毯45°燃烧测试仪对两种地毯的背衬和纤维表面分别受火时的燃烧情况进行研究。表4为地毯燃烧性能45°测试结果，通过实验发现
表4 地毯燃烧性能45°测试结果
注：正面—地毯纤维表面；底面—地毯背衬。
（1）丙纶地毯在地毯背衬（底面）和纤维表面（正面）受火这两种情况下均可以被点燃，且火焰不熄灭，直至试样全部燃完，燃烧过程中发现地毯发生卷曲，并且不断产生带火焰的滴落物，火焰消失后无残烬。
（2）羊毛地毯在地毯背衬（底面）受火的情况下，地毯纤维表面慢慢熔化，并有起泡现象。270s开始有非燃烧状态的油状滴落物，780s时地毯被烧穿，试样突然猛烈燃烧，同时发生卷曲，并产生带火焰的滴落物。明火焰消失后，残余的羊毛地毯开始无焰燃烧。
（3）羊毛地毯在纤维表面（正面）受火的情况下，地毯的纤维表面熔化，施焰结束后，地毯表面出现一闪即灭的火焰，随后完全熄灭。
羊毛地毯纤维表面受火时，地毯不会被引燃，羊毛地毯背衬长时间受火，地毯会被烧穿并发生猛烈燃烧；丙纶地毯在两种情况下均会被点燃，且火焰不熄灭直至地毯燃尽。而且羊毛地毯在背衬受火情况下的持续燃烧时间也要远远长于丙纶地毯。
3.2 在线烟气成分分析
3.2.1 地毯烟气成分分析
基于锥形量热仪，应用多组分烟气分析仪分析了地毯在燃烧过程中实时产生的烟气的成分，发现存在CO、CO2、NO和SO2等气体。图3、图4分别为热辐射强度为35kW/m2时，羊毛地毯和丙纶地毯燃烧生成的烟气中O2、CO、CO2、NO和SO2等气体浓度随时间的变化曲线。
图3 羊毛地毯燃烧烟气成分变化曲线
图4 丙纶地毯燃烧烟气成分变化曲线
实验开始时，由于试样表面温度没有达到着火点，此时地毯处于热分解阶段。由图3、图4可以看出，羊毛地毯和丙纶地毯热分解时均会释放出NO。随着试样表面温度升高，地毯被引燃，开始燃烧，O2浓度下降，CO、CO2、NO以及SO2浓度迅速升高。
由图3可以看出，当t=230s时，羊毛地毯生成的NO和CO2浓度达到最大值，同时O2浓度达到最小值。t=280s时，CO浓度达到最大值；t=390s时，SO2浓度达到最大值。随后，O2浓度逐渐升高，CO、CO2、NO以及SO2的浓度随时间逐渐降低。
由图4可以看出，丙纶地毯燃烧生成气体成分随时间的变化趋势比较明显。CO、CO2、NO和SO2的浓度在试样被引燃后开始急剧上升，当t=105s时，CO、CO2和NO浓度达到最大值，同时O2浓度达到最低，t=140s时，SO2浓度达到最大值。
由于不同材料样品质量不同，燃烧生成气体浓度峰值差异较大，但从开始引燃操作至毒性气体浓度达到峰值所需的燃烧时间，可以分析出材料燃烧危害性的相对大小。羊毛地毯开始燃烧后280s内有害气体浓度达到极值，而丙纶地毯仅需要105s，由此看出，丙纶地毯燃烧速度快。在火灾中，丙纶地毯一旦引燃会快速进入全面燃烧阶段，产生大量有毒烟气，对火灾现场人员的逃生十分不利。
3.2.2 两种地毯产生的各气体对比分析
选取在热辐射强度为35kW/m2条件下，羊毛地毯和丙纶地毯燃烧生成的CO、CO2、NO和SO2气体浓度变化情况分别进行对比。
由图5可以更加准确地看出，丙纶地毯生成CO、CO2、NO和SO2气体浓度达到峰值的时间均比羊毛地毯早；对比各气体浓度峰值大小，可以知道，两种地毯生成的CO和SO2气体浓度峰值相近，而羊毛地毯生成CO2和NO气体浓度峰值比丙纶地毯大，其中NO气体浓度峰值差距明显，这与羊毛地毯成分中的含氮量大于丙纶地毯相关。
图5 地毯燃烧产生的烟气中各气体浓度变化曲线
3.2.3 热辐射强度对地毯烟气成分的影响
火灾中的毒性气体不仅与材料种类有关，而且与火场中温度变化情况密切相关。为了考察火灾环境中热辐射强度对地毯燃烧生成毒性气体浓度的影响，本文分别研究了热辐射强度为25kW/m2、35kW/m2和50kW/m2情况下，地毯燃烧烟气中各成分浓度的变化规律。图6～图9分别给出了两种地毯在不同热辐射强度下燃烧生成CO、NO、CO2和SO2的浓度变化曲线。
图6 地毯生成CO浓度变化曲线
图7 地毯生成NO浓度变化曲线
图8 地毯生成CO2浓度变化曲线
图9 地毯生成SO2浓度变化曲线
由图6～图9可以看出，羊毛地毯和丙纶地毯在不同热辐射强度下燃烧生成的CO、NO、CO2和SO2浓度变化趋势相似，即随着热辐射强度的增加，地毯燃烧生成有毒气体的浓度增大。可见，热辐射强度对烟气中有毒气体的含量均有影响。
为了更清晰地分析热辐射强度对地毯燃烧生成有毒气体浓度的影响，将实验过程中生成CO、NO、CO2和SO2浓度的平均值和最大值进行了对比分析，表5给出了两种地毯在不同热辐射强度下的CO、NO、CO2和SO2浓度变化的特征值。
表5 不同热辐射强度下各气体浓度变化的特征值
由表5可以看出，随着热辐射强度的增大，两种地毯燃烧生成CO、NO、CO2和SO2浓度的平均值和最大值均有明显增大的趋势。通过对生成CO、NO、CO2和SO2浓度最大值和平均值的分析，更能清楚地说明热辐射强度对地毯燃烧生成烟气规律的影响作用。
经过上述实验发现，火灾中地毯燃烧生成的有毒气体浓度，不仅与地毯种类有关，还与火灾环境下的热辐射强度相关。如果火灾环境中的热辐射强度较大，即温度较高时，火场烟气中的毒性气体含量越大，更不利于火灾现场中的人员逃生及疏散。
4 结论
通过地毯燃烧性能45°测试和在线烟气成分分析试验对比分析羊毛地毯和丙纶地毯的燃烧性能，得出主要结论如下。
（1）丙纶地毯较羊毛地毯更易于被引燃，引燃后火势蔓延和产生有害烟气速度更快，更不利于火灾初期人员的安全疏散。在火灾初期，丙纶地毯的火灾危险性更大。
（2）羊毛地毯和丙纶地毯燃烧过程中产生的烟气中均含有CO、CO2、NO和SO2等有害气体，且丙纶地毯燃烧生成有害气体浓度达到极值的时间比羊毛地毯短。
（3）随着热辐射强度增大，两种地毯燃烧生成有害烟气的速率均加快，有害气体含量均变大，可见地毯燃烧生成烟气成分与热辐射强度有关。
（4）羊毛地毯虽然在引燃性和引燃后火势蔓延方面要优于丙纶地毯，但进入火灾全面发展阶段后，因其烟气产生总量量大，存在的潜在危险性也很大。
参考文献
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［2］ 张福泉，谢飞，杨亮.常见地毯阻燃性能试验分析.消防科学与技术，2013，32（8）：904-906.
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［4］ Fan Q L，Fang J L，Chen Q M，et a.l Synthesis and properties of polyurethane modified with amino ethylaminopropyl poly（dimethylsiloxane）.J Appl Polym Sci，1999，74：2552-2558.