含水率及燃燒性能等級對中密度纖維板點燃行為及安全性能影響的研究

楊 棟，張少剛，侯亞楠

（1.新疆烏魯木齊市公安消防支隊，烏魯木齊，830002；2.中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026）

0 引言

人造纖維板材由于結(jié)構(gòu)均勻、尺寸穩(wěn)定性好等特點，在現(xiàn)代建筑行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用［1，2］。與此同時，纖維板的大量應(yīng)用給各類建筑、尤其是公眾聚集場所帶來了巨大火災威脅。近年來多起重特大火災事故均已表明，建筑內(nèi)使用的大量人造板材是造成火災快速蔓延和室內(nèi)發(fā)生“轟燃”的主要原因之一［3］。

為了降低纖維板的火災危險性，目前主要通過在生產(chǎn)過程中加入阻燃劑的方法來提高其燃燒性能等級。阻燃劑類型和用量的不同將導致燃燒行為不同。同時，由于地域和氣候的差異使得板材的含水率亦不相同，這也將影響纖維板的燃燒過程。為準確預測纖維板在火災中的燃燒行為，建立相應(yīng)的風險評價體系并制定防范措施，必須對不同燃燒性能等級和含水率纖維板的燃燒特性進行研究。當前，對于木質(zhì)材料燃燒特性的研究主要集中在天然木材上［4－6］，對人造板材特別是纖維板的研究較少。國際上，僅有李開源［7－9］針對中 密度纖維板在熱物性［7］、炭化行為［8］和熱解動力學參數(shù)［9］開展了一系列深入的研究，但其研究并未涉及纖維板的點燃行為，缺乏點燃時間和臨界輻射熱通量等相關(guān)參數(shù)。

本文利用錐形量熱儀，對河南森遠科技有限公司生產(chǎn)的三種不同燃燒性能等級的中密度纖維板進行輻射點燃實驗，記錄點燃時間和燃燒熱釋放速率值。通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)熱厚型輻射點燃模型計算不同含水率條件下的臨界輻射熱通量。其中兩類經(jīng)阻燃處理的樣品，經(jīng)國家固定滅火系統(tǒng)或耐火構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心按照燃燒性能分級實驗方法（GB 8624－2012）檢驗，分別達到了B級和C級的等級，故命名為B級板和C級板；還有一類板材未經(jīng)阻燃處理，命名為非阻燃板。B級板和C級板的阻燃處理過程中所采用的阻燃劑為磷氮系復合阻燃劑。

1 研究方法

1.1 樣品處理與試驗方法

本實驗所用的纖維板樣品尺寸均為100mm×100mm×9mm（長×寬×厚），環(huán)境溫度為25±5℃。樣品在相對濕度為0%、50%、98%的恒溫恒濕箱分別經(jīng)過48小時和60小時的預處理后發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量幾乎不變，即含水率達到平衡狀態(tài)。取出稱量，測得在相對濕度為0%、50%、98%的環(huán)境下，纖維板的含水率分別為0、5%～5.6%（均值5.3%）、10%～15%（均值12.5%）。

在錐量實驗中，將纖維板樣品用錫箔紙包裹，僅暴露上表面，置于高絕熱性的高鋁陶瓷纖維制成的樣品架內(nèi)，如圖1所示，使得整個裝置為樣品提供良好的絕熱環(huán)境。本文判定臨界點燃時間：加熱300秒內(nèi)被電火花引燃的時間為點燃時間，超過300秒則認為不燃，熱輻射通量小于臨界輻射熱通量。電火花位于材料上表面13mm高度位置。實驗采用的熱輻射強度主要有25kW／m2，30kW／m2，40kW／m2，50kW／m2，60kW／m2，對每組熱輻射強度進行3次重復實驗，點燃時間取平均值。在此基礎(chǔ)上，在低輻射強度（14kW／m2和16kW／m2）進行了三組驗證實驗，用以驗證理論計算的有效性。

圖1 纖維板樣品和高鋁陶瓷纖維樣品架Fig.1 The sample of fiberboard and the aluminum－silicon ceramic fiber specimen holder

1.2 臨界輻射熱通量與點燃時間關(guān)系模型

Mikkola和 Wichman［10］根據(jù)固體可燃物在受到外界熱輻射時內(nèi)部的熱傳導狀況的不同，提出了熱厚型輻射點燃模型。

式中，t點燃為點燃時間，s；κ為導熱系數(shù)，kW／m／K；ρ為密度，kg／m3；c為材料熱容，kJ／kg／K；q0為初始外部熱流，kW／m2；T點燃和T0分別為點燃溫度和環(huán)境溫度，K。

Delichatsios［11］在此基礎(chǔ)上，根據(jù)外加輻射熱流的大小對模型進行修正，提出了修正模型：

為求得m值，令t點燃趨于無窮大，則有：q0＝mq臨界

得到：

Delichatsios給出的m值為0.64，并通過實驗證實m的引入可以有效解決實驗輻射強度過度高于臨界輻射強度（3倍以上）的問題，對熱厚型材料具有非常好的適應(yīng)性。

進而，令：

式中：π為圓周率；q0和T點燃為物體點燃時刻所受的外加輻射通量和點燃溫度；T0為物體初始溫度或環(huán)境溫度。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 點燃時間

實驗得到了不同濕度環(huán)境下，B級、C級及非阻燃纖維板，在不同熱輻射強度下的平均點燃時間，如表1所示。對比表1中相同環(huán)境濕度下不同燃燒性能等級纖維板的點燃時間，可以發(fā)現(xiàn)點燃時間隨燃燒性能等級的增加而增加。通過計算發(fā)現(xiàn)，點燃時間從非阻燃板到C級板增加了4%－8%，而從C級板到B級板增加了5%－17%。這一結(jié)果充分說明了阻燃處理的效果，添加了阻燃劑的板材，在相同的外加輻射條件下，需要積蓄比未進行阻燃處理的板材更多的熱量，產(chǎn)生更多的熱解產(chǎn)物，才能夠被點燃。

在相同的外加輻射通量下，不同環(huán)境濕度下處理過的同種阻燃級別纖維板的點燃時間會隨著含水率的增大而迅速增大。含水率均值在5.3%樣品的點燃時間比含水率為0%的干燥纖維板平均增長了35%左右；含水率均值在12.5%的纖維板相比于干燥纖維板，點燃時間平均延長了超過2倍（200%），相比含水率為5.3%的纖維板，點燃時間也延長了65%以上。可以看出，纖維板材含水越多，在受到外界輻射熱流時，板內(nèi)水分的吸熱揮發(fā)過程也就相應(yīng)的越長，揮發(fā)的水蒸汽在一定程度上稀釋了板材熱解產(chǎn)生的可燃氣體的濃度，使得纖維板材的點燃時間延長。這與Spearpoint［12］的天然木材實驗所得到的結(jié)論是一致的。

表1 不同輻射強度下纖維板的平均點燃時間Table 1 The average of ignition time of fiberboard under different external heat fluxes

1.2 臨界輻射通量

臨界輻射通量是能夠引燃材料的外加最小輻射熱流，低于該值則材料不能被點燃。根據(jù)熱厚型輻射點燃時間模型可知，點燃時間倒數(shù)的平方根與外加輻射強度成正比關(guān)系，做出二者之間的關(guān)系圖，對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，如圖2所示，采用外推法得到橫軸截距，結(jié)合公式（3）得到臨界輻射熱通量，結(jié)果見表2。

表2 不同相對濕度下，不同燃燒性能等級纖維板的臨界輻射熱通量值Table 2 The critical heat flux of fiberboard with different levels of fire retardant and moisture content

從圖2中可明顯看出，不同的相對濕度（含水率）下的點燃時間與外加輻射熱通量的擬合直線與橫軸幾乎相交于同一點，這表明同種板材在不同的含水率條件下的臨界輻射熱通量是相同的，環(huán)境濕度對臨界輻射熱通量并沒有顯著的影響。這主要是因為在有外界輻射熱流時，纖維板所含水分在受熱過程中的吸熱揮發(fā)，只在時間上延遲了板材的熱解過程，并不真正影響纖維板材的熱解和可燃氣體的析出，因此含水率越高，只會相應(yīng)的延長樣品的點燃時間。當外加輻射熱通量達到臨界輻射熱通量時，所含水分蒸發(fā)結(jié)束之后，板材依然可以熱解析出足夠的可燃氣體起火燃燒。Moghtaderi等［13］曾對不同含水率天然木材的臨界輻射熱通量進行研究并得到了相同的結(jié)論。

圖2 不同相對濕度條件下纖維板點燃時間隨外加輻射強度變化Fig.2 The variation of ignition time of fiberboard with external heat flux under different conditions of relative humidity

從表2可知，B級板的臨界輻射熱通量均值為14.2kW／m2，C級板材為14.1kW／m2，而非阻燃板為11.2kW／m2。為了驗證由理論推導得到臨界輻射通量準確性，筆者在實驗中將非阻燃干燥纖維板的外加輻射熱通量降低至14kW／m2，得到的點燃時間為279s（見表1）。由此可知，非阻燃干燥纖維板的實際臨界輻射熱通量應(yīng)當在14kW／m2以下，這與推導計算值11.2kW／m2相吻合。而對干燥B級板和C級板在16kW／m2低輻射熱流條件下進行點燃實驗，發(fā)現(xiàn)點燃時間超過300秒（見表1），因而其臨界輻射熱通量應(yīng)略高于16kW／m2?？紤]到實驗測量和線性擬合誤差，實驗結(jié)論是可接受的。雖然B級板和非阻燃板在RH＝98%時的臨界輻射熱通量相對偏小，但是與其他環(huán)境濕度下的計算數(shù)值相差不大，綜合考慮到實驗測量和線性擬合誤差，上述計算結(jié)果也是合理的。同時，這也進一步印證了板材的含水率對其臨界輻射熱通量并沒有顯著影響的討論。

相比而言，阻燃處理使纖維板材的臨界輻射熱通量增加，這主要是因為添加的阻燃劑改變了纖維板材的熱解過程，提高了熱解過程中炭產(chǎn)量，炭遮擋了外界熱輻射，使得阻燃過的板材在相同的輻射熱通量的情況下析出的可燃氣體變少，同時阻燃劑與纖維板材相互作用釋放一些不燃氣體，進一步稀釋了可燃氣體和氧氣的濃度，需要更強的外加輻射熱流才能將其點燃［14，15］。作為樣品中燃燒性能等級最高的B級板，其臨界輻射熱通量比未阻燃的纖維板材提高3kW／m2（27%），阻燃效果明顯。但是，對比B級板和C級板發(fā)現(xiàn)，兩類阻燃板臨界輻射熱通量并沒有顯著區(qū)別，因而在評價這兩類板材的安全特性時，不能將臨界輻射熱通量作為單一標準，需引入更多的參數(shù)進行綜合評價。值得注意的是，本研究涉及的三類板材的臨界輻射熱通量均大大超出《建筑內(nèi)部裝修設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50222－95，2001年版）中對室內(nèi)裝飾鋪地材料臨界輻射熱通量的要求（4.5kW／m2），因此，這三類板材作為室內(nèi)裝飾鋪地材料是相對安全的。

1.3 熱釋放速率

由于在室溫條件下，建筑居室內(nèi)的環(huán)境相對濕度通常為40%－60%［15］，建筑裝飾用纖維板材多數(shù)處在這樣的環(huán)境濕度中，因此圖3給出了在相對濕度為50%下不同纖維板材錐形量熱儀實驗得到的熱釋放速率曲線圖。從圖3中可以明顯看出，不論外界輻射熱通量為30kW／m2還是50kW／m2時，經(jīng)過阻燃的纖維板材的首峰峰值和準穩(wěn)態(tài)期間的熱釋放速率都比未阻燃的要低，且燃燒性能等級越高，熱釋放速率的降低效果越明顯。在30kW／m2時，樣品中燃燒性能等級最高的B級板在輻射點燃后出現(xiàn)了火焰自熄現(xiàn)象。由此可見，添加阻燃劑對于降低纖維板材在燃燒時的熱釋放速率具有非常重要的作用。

圖3 RH＝50%條件下不同纖維板材在不同輻射熱通量下的熱釋放速率圖Fig.3 The heat release rate of fiberboard with different levels of flame retardant under the condition of relative humidity of 50%

通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在外加輻射熱通量為30kW／m2和50kW／m2時，燃燒性能等級高的B級板材的熱釋放速率的首峰峰值從未阻燃的211kW／m2和290kW／m2，分 別 降 低 到 了 118kW／m2和145kW／m2，降幅分別為45%和50%。而與C級板的首峰峰值156kW／m2和219kW／m2相比，B級板首峰峰值降幅分別為25%和33%，且熱釋放速率曲線值整體下降明顯，從而說明B級板比C級板具有更好的阻燃效果。添加阻燃劑之后，纖維板材熱釋放速率次峰峰值的出現(xiàn)時間也出現(xiàn)了明顯的滯后現(xiàn)象，這說明阻燃劑不僅可以降低纖維板材的燃燒熱釋放速率，還有助于降低板材的熱解和燃燒速率，抑制火勢的發(fā)展蔓延，這無疑對發(fā)生火災時減少火災損失具有重要意義。

3 結(jié)論

隨著纖維板材的大量應(yīng)用，由其造成的火災隱患也與日俱增，必須加強對纖維板材火災危險性的研究。本文采用錐形量熱儀對不同相對濕度環(huán)境處理過的不同燃燒性能等級的纖維板進行了輻射點燃實驗，測得了不同輻射熱條件下的點燃時間和燃燒熱釋放速率，采用熱厚型一維積分模型對測得的點燃時間分析，得到臨界輻射熱通量，并分析了含水率以及外加阻燃劑對臨界輻射熱通量影響。主要結(jié)論如下：

（1）含水率增加可顯著延長點燃時間，但對臨界輻射熱通量的影響不大，高濕度的環(huán)境不利于火災的蔓延傳播，但對于提高纖維板材的火災安全性作用不大。

（2）阻燃處理可顯著增加臨界輻射熱通量，提高板材的安全度。與非阻燃板相比，阻燃板的臨界輻射熱通量提高27%。但是，同樣做過阻燃處理的板材之間的臨界輻射熱通量差別不大，因此需要引入熱釋放速率等參數(shù)對材料的安全性能進行綜合評價。

（3）阻燃劑可以明顯降低纖維板材燃燒時的熱釋放速率，而且阻燃劑級別越高，熱釋放速率的降低作用越明顯。熱釋放速率越低，相同時間釋熱量越小，燃燒造成的損失越小。

因此，在實際的纖維板材生產(chǎn)中，可以通過添加高效的阻燃劑，提高其臨界輻射熱通量，降低燃燒時的熱釋放速率的方法來提高其火災安全性。本文闡述了含水率和阻燃處理對纖維板的點燃行為的影響，但是沒有涉及材料的熱解機理以及由此引出的熱釋放速率變化規(guī)律，而且不同含水率條件下纖維板的燃燒行為也需研究，這也將是下一步工作的主要內(nèi)容。

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