聚氨酯保溫板引燃特性試驗研究

李 青

(武警學院 研究生隊，河北 廊坊 065000)

聚氨酯保溫板引燃特性試驗研究

李 青

(武警學院 研究生隊，河北 廊坊 065000)

為得出火場復雜環(huán)境因素對聚氨酯保溫板引燃特性的影響規(guī)律，給防火工作和火災調查提供依據(jù)，選取市場上常用的B1級聚氨酯保溫板為研究對象，運用理論與試驗相結合的方法，分別選用最常見的兩種引火源(酒精噴燈、電焊渣)對其進行引燃特性試驗研究。結果表明，一定條件下，酒精噴燈和電焊渣都能引燃聚氨酯保溫板；酒精噴燈加熱聚氨酯保溫板相同時間，隨著距火源距離的增大，引燃能力減弱；隨著電焊持續(xù)作用時間的增長，電焊渣引燃聚氨酯保溫板的能力增強；隨著酒精噴燈加熱時間的增長，試樣表面溫度先迅速升高，達到材料最快熱釋放速率時，溫度升至最高值，之后緩慢下降，并逐漸趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

聚氨酯保溫板；引燃試驗；酒精噴燈；電焊渣

0 引言

近幾年來，聚氨酯保溫板因具有絕緣性良好、理化性能優(yōu)良、比強度高和低導熱系數(shù)等優(yōu)點，被廣泛應用于各場所的保溫隔熱系統(tǒng)中。其應用幾乎滲透到國民經濟各個部門，已逐漸成為各行業(yè)中不可或缺的重要有機材料之一。但是，聚氨酯泡沫屬于有機高分子材料，易燃。硬質聚氨酯泡沫的閃點約為310 ℃，自燃溫度為412 ℃[1]。未經阻燃處理的聚氨酯制品，氧指數(shù)僅為20左右，經阻燃處理的一般也在30以下[2]。聚氨酯保溫板內為多孔性結構，導熱性差，且熱穩(wěn)定性差，極易造成熱量積聚而引發(fā)火災。近年來由聚氨酯泡沫材料引起的建筑火災頻繁發(fā)生，造成了嚴重的財產損失和人員傷亡，如河南洛陽東都商廈火災、深圳龍崗舞王俱樂部火災[3]、上海靜安區(qū)膠州路公寓火災等[4]。目前雖有大量關于高聚物燃燒特性的研究[5-6]，但由于聚氨酯保溫板在實際使用過程中的環(huán)境因素非常復雜，有關其在火源種類、加熱時間、火源位置等多種因素作用下的引燃特性的研究相對較少。本文在國內外研究[7]的基礎上，進一步探究聚氨酯保溫板在不同條件下的引燃特性。

1 試驗設計

1.1 試驗儀器設備及材料

試驗儀器為：火災痕跡物證試驗臺(交流輸出電壓0～55 V)，非接觸式紅外測溫儀，酒精噴燈。

試驗材料為：B1級聚氨酯保溫板；石棉網；焊條若干；角鋼。

1.2 酒精噴燈引燃聚氨酯保溫板試驗設計

將聚氨酯保溫板鋸成10 cm×10 cm×7 cm大小的試驗塊材。用酒精噴燈加熱試樣，控制下表面與火焰頂點的距離分別為0 cm、5 cm、10 cm，計時并觀察記錄引燃過程中的試驗現(xiàn)象，同時記錄試樣表面溫度。分析總結火源距離和引燃時間對聚氨酯保溫板引燃特性的影響規(guī)律。為減少試驗誤差，避免偶然性因素對試驗結果的影響，每組進行5次重復性試驗。

1.3 電焊渣引燃聚氨酯保溫板試驗設計

調節(jié)電壓為50 V，將聚氨酯保溫板試樣置于三角鋼一側，為減少三角鋼的高溫對試驗結果的影響，控制試樣中心和三角鋼間距為1.0 cm。為保證電焊渣盡可能多地落在試樣上，在試樣外圍增設維護體，并在試樣下方鋪墊石棉網以減少試樣底部的熱損失?？刂瞥掷m(xù)電焊時間分別為5 s、10 s、20 s、40 s，每組進行5次重復性試驗，觀察記錄試驗現(xiàn)象。通過該試驗分析總結電焊持續(xù)時間對聚氨酯保溫板引燃特性的影響規(guī)律。

2 結果與討論

2.1 酒精噴燈引燃聚氨酯保溫板的試驗研究

2.1.1 加熱不同時間對引燃結果的影響

酒精噴燈加熱聚氨酯保溫板，火焰距離試樣0 cm，其他參數(shù)相同的條件下，分別控制加熱時間為20 s、40 s、60 s、80 s、100 s、120 s，并記錄試樣表面的溫度，如表1所示，試樣表面溫度隨時間變化的趨勢如圖1所示。觀察到的引燃現(xiàn)象如表2所示。

注：表中的溫度均為5次試驗的平均溫度。

由圖1可知，在該時間段內，隨著加熱時間的增長，試樣表面的溫度先迅速升高，達到最高溫度(約850 ℃)時，溫度逐漸下降，之后基本維持穩(wěn)定。由表2可見，酒精噴燈引燃聚氨酯保溫板時，5次重復試驗均成功引燃，且有4次出現(xiàn)了持續(xù)5 s以上的火焰，火焰由中心向周圍蔓延，飾面層內部保溫材料熔化溢出。

圖1 試樣表面溫度隨加熱時間的變化趨勢

變色時間冒煙時間變形時間炭化時間著火時間引燃結果1．3s2．4s5．2s6．7s10．5s5次重復試驗均引燃

注：表內時間均為5次試驗的平均時間。

2.1.2 距火源不同距離對引燃結果的影響

用酒精噴燈加熱聚氨酯保溫板的正面，分別控制試樣下表面與火焰頂點的距離為0 cm、5 cm、10 cm，加熱試樣1 min，具體引燃結果如表3所示。每隔10 s記錄一次試樣表面溫度，如表4所示?；鹪丛诓煌嚯x下加熱時，試樣表面溫度變化趨勢對比情況如圖2所示。

表3 距火源不同距離時加熱1 min的引燃結果

注：1)表內時間均為5次試驗的平均時間；2)“—”表示未觀察到該現(xiàn)象。

表4 距火源不同距離加熱時試樣表面溫度變化

注：表中的溫度均為5次試驗的平均溫度。

圖2 距火源不同距離時試樣表面溫度變化趨勢對比圖

試驗表明，當聚氨酯保溫板與酒精噴燈火焰頂點距離為0 cm時，5次重復性試驗中，5次均成功引燃；當距離增大到5 cm和10 cm時，試樣均未被引燃。且隨著火焰距離的增大，試樣熱分解反應速度減慢，反應劇烈程度也減輕。由圖2可知，在該時間段內，火源距離為0 cm時，試樣表面溫度上升迅速，最高可超過800 ℃；火源距離大于5 cm時，試樣表面溫度相對較低，上升較緩慢，未達到燃點溫度。

2.2 電焊渣引燃聚氨酯保溫板試驗研究

以電焊渣為例，用電焊渣引燃聚氨酯保溫板，控制電焊持續(xù)作用時間分別為5 s、10 s、20 s、40 s，引燃現(xiàn)象如圖3，引燃結果如表5所示。

(a)持續(xù)電焊5 s

(b)持續(xù)電焊10 s

(c)持續(xù)電焊20 s

(d)持續(xù)電焊40 s

隨著電焊持續(xù)時間的增長，聚氨酯保溫板被成功引燃的次數(shù)增多，火焰更大，蔓延更迅速，火焰持續(xù)時間更長。通過排除誤差結果，可得出電焊持續(xù)作用時間小于5 s時，不能引燃該聚氨酯保溫板；大于10 s時能夠成功引燃，且火焰持續(xù)時間都較長，超過了10 s。

表5 電焊持續(xù)作用不同時間時的引燃結果

注：表內時間均為5次試驗的平均時間。

2.3 分析討論

2.3.1 火源種類對引燃能力的影響

由于不同火源的溫度場和熱量分布情況不同，加熱同種可燃物的引燃結果也會各異。試驗測得酒精噴燈的火焰溫度約為1 000 ℃，且噴燈火焰的熱量比較集中，用酒精噴燈加熱聚氨酯保溫板時，體系放熱量大于散熱量，保溫板表面熱量大量積累，溫度迅速升高，發(fā)生熱分解并燃燒產生火焰。中心火焰加熱區(qū)溫度最高，最先引燃，火焰呈現(xiàn)由中心向周圍蔓延的規(guī)律特征。

電焊渣引燃聚氨酯保溫板時，電焊熔珠溫度高達1 200 ℃左右，試樣表面被濺上的熔珠加熱，溫度也會很快升高到達燃點，產生火焰，但是由于焊渣熔珠四處飛濺，會導致試樣表面多處受熱升溫，多處出現(xiàn)火焰。

2.3.2 火源距離對引燃能力的影響

同種火源加熱同尺寸的聚氨酯保溫板時，隨著火源距離的增大，火源向環(huán)境中散失的熱量增多，根據(jù)能量守恒定律，到達試樣表面的熱量會減少，不利于熱量積累，試樣表面升溫速度會減慢，到達燃點的時間會延長。當火源距離增大到一定值，大部分熱量都會散失到空氣中，試樣表面接受的少量熱量已經無法使之達到燃點溫度，也就無法引燃。

2.3.3 加熱時間對引燃能力的影響

加熱時間越長，試樣表面熱量積累越多，溫度越高，聚氨酯保溫板更容易達到燃點而被引燃，且火勢更大，火焰持續(xù)時間更長。當加熱時間足夠小，試樣表面溫度不能達到材料的燃點，只會出現(xiàn)冒煙、變色、變形等現(xiàn)象，無明火出現(xiàn)。

3 結論

通過研究聚氨酯保溫板的引燃特性，得出以下結論：(1)一定條件下，酒精噴燈和電焊渣都能夠引燃該B1級聚氨酯保溫板。(2)酒精噴燈加熱聚氨酯保溫板相同時間，隨著距火源距離的增大，引燃能力減弱。在該試驗條件下，火源距離為0 cm時，能成功引燃試樣，10 s左右會出現(xiàn)明火；距離大于5 cm時，不能引燃試樣。(3)電焊渣引燃聚氨酯保溫板，隨著電焊持續(xù)作用時間的增長，引燃能力增強。持續(xù)電焊時間小于5 s時，不能成功引燃試樣；持續(xù)電焊時間大于10 s時，能成功引燃，且能維持10 s以上持續(xù)燃燒火焰。(4)酒精噴燈引燃聚氨酯保溫板，在測量的時間段內，隨著加熱時間的增長，試樣表面溫度的大致趨勢為：先迅速升高，達到材料最快熱釋放速率時，溫度升至最高值約850 ℃，之后緩慢下降，并逐漸趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

[1] 徐培林,張淑琴.聚氨酯材料手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社,2011.

[2] 龔娜.軟質聚氨酯泡沫塑料燃燒性能及火災危險性分析[D].成都：西南交通大學,2011.

[3] 公安部消防局.火災統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國人事出版社,2006.

[4] 李曉蕾,王鵬.從典型火災案例看建筑保溫材料的防火安全問題[J].建材發(fā)展導向,2009,(4):53-56.

[5] 林楠,李松,舒中俊.室內常見裝飾用織物熱輻射引燃特性[J].消防科學與技術,2011，30(1)：19-22.

[6] 張方敏.軟質聚氨酯泡沫引燃特性的試驗研究[J].中國公共安全：學術版,2013,(1):78-80.

[7] CHECCHIN M, CECCHINI C, CELLAROSI B,etal. Use of Cone Calorimeter for Evaluating Fire Performances of Polyurethane Foams [J]. Polymer Degradation and Stability,1999,64(3):573-576.

(責任編輯 馬 龍)

On the Ignition Experiment of Polyurethane Insulation Board

LI Qing

(TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

In order to get the law of the complex environmental factors influcing ignition characteristics of the polyurethane insulation board, and provide certain criteria for fire-protection and fire investigation, the commonly used polyurethane insulation board in market is chosen as the research object in the light of the problem of its flammability. In the study, alcohol burner and welding slag are selected to study its ignition characteristics. On the base of mastering the physical and chemical properties of the polyurethane insulation board, the ignition characteristics of polyurethane insulation board are studied through small-scale experiments in a multi-parameter coupling. All this can provide certain reference value for the fire-protection and fire investigation work.

polyurethane insulation board; ignition experiment; alcohol burner; welding slag

2014-12-05

李青(1992— )，女，湖南衡陽人，在讀工程碩士研究生。

D631.6

A

1008-2077(2015)04-0024-04