水噴淋壓力對聚氨酯燃燒的抑制作用研究

康銘洋 趙恒澤 楊云杰

摘要：聚氨酯主要分為硬質(zhì)聚氨酯（RPU）和聚氨酯軟泡（FPU），其具有較強(qiáng)的火災(zāi)危險(xiǎn)性，前者主要應(yīng)用于外墻保溫領(lǐng)域，后者廣泛使用于各種家具。本文主要采用水噴淋對FPU和RPU燃燒進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)，來研究噴淋壓力對平均火焰高度的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，施加水噴淋后，平均火焰高度迅速降低;增加噴淋壓力能有效抑制聚氨酯材料燃燒，噴淋壓力為0.3MPa時(shí)抑制作用達(dá)到頂峰，再增加噴淋壓力作用效果并不明顯。

關(guān)鍵詞：水噴淋;聚氨酯;火焰高度

聚氨酯材料（PU）是聚氨基甲酸酯的簡稱，英文名稱是polyurethane，是一種化學(xué)合成聚合物，通常由異氰酸酯與多元醇反應(yīng)得到。本文選用的燃燒材料是聚氨酯的兩種不同品種：聚氨酯軟泡（FPU）與硬質(zhì)聚氨酯（RPU），前者廣泛使用于各種家具，當(dāng)發(fā)生燃燒后，會(huì)融化形成流體，引發(fā)池火災(zāi)，并且由于其流動(dòng)特性，火災(zāi)的可控性很差;后者主要應(yīng)用于外墻保溫領(lǐng)域，硬質(zhì)聚氨酯保溫材料（RPU）因其質(zhì)量輕、保溫隔熱性能優(yōu)越且穩(wěn)定性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高層建筑中，但其含有大量的易燃片段以及高的比表面積，在高溫下會(huì)急劇分解為可燃?xì)怏w使其燃燒蔓延速度極快，形成立體燃燒。兩種材料均易燃燒并產(chǎn)生大量CO和HCN等有毒煙氣，極易造成人員傷亡。

一、實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理方法

（一）實(shí)驗(yàn)材料及過程

本實(shí)驗(yàn)采用高50cm，寬10cm，厚2cm的FPU與RPU板，兩邊包裹上錫箔紙（為了防止火焰燒到石膏板影響數(shù)據(jù)分析）分別放置在一塊帶有同樣大小凹槽的石膏板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

CO、HCN濃度傳感器（CLE-0052-400）（CLE-0731-400）置于距離材料底部約100cm處，在距離材料水平15cm處放置輻射熱流量計(jì)，水噴淋所用噴頭安放在距離物體表面水平約70cm，距離地面垂直120cm處，角度為50°，如圖 1所示。

為了獲得更為精確的點(diǎn)燃條件，采用了用于引燃豎直壁面可燃材料的線性點(diǎn)火源，以高純度丙烷氣作為燃料，丙烷氣體流量為250ml/min。此外，實(shí)驗(yàn)全程通過索尼數(shù)碼相機(jī)（25幀/秒）進(jìn)行全程錄制。

利用點(diǎn)火裝置從底部將兩種聚氨酯材料點(diǎn)燃，這時(shí)開始計(jì)時(shí)，燃燒至十分鐘時(shí)開啟水噴淋裝置，直至將火焰完全熄滅為止。分別改變噴淋壓力為0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，不同壓力對應(yīng)的體積流率和噴淋流量如表1所示。

（二）數(shù)據(jù)處理

對于攝像機(jī)采集到的火焰視頻數(shù)據(jù)，利用MATLAB圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)，從視頻中讀取每一幀的火焰燃燒圖像，利用rgb2gray函數(shù)將RGB圖像轉(zhuǎn)換得到灰值圖，同時(shí)剪出目標(biāo)區(qū)域圖像，對其進(jìn)行濾波處理，使濾波后圖像邊界更清晰，再對其圖像矩陣尋找火焰最高點(diǎn)，最后通過比例尺轉(zhuǎn)換的方法得到火焰的實(shí)際高度，并作圖 2。

二、不同噴淋壓力對平均火焰高度的影響

圖2a為FPU材料被噴淋壓力分別為0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa的水抑制時(shí)的平均火焰高度，可以明顯觀測到施加水噴淋后，平均火焰高度迅速降低。隨著噴淋壓力的增加，同一時(shí)刻FPU平均火焰高度逐漸降低，噴淋壓力為0.3MPa、0.4MPa時(shí)噴淋抑制效果變化不大。圖2b為RPU材料被噴淋壓力分別為0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa的水抑制時(shí)的火焰高度，可以發(fā)現(xiàn)施加水噴淋后，火焰高度同樣迅速降低。隨著噴淋壓力的增加，同一時(shí)刻RPU平均火焰高度逐漸降低，同樣的，噴淋壓力為0.3MPa和0.4MPa時(shí)，施加噴淋后，二者的平均火焰高度變化不大?？梢?，從平均火焰高度變化的情況來說，無論對于FPU還是RPU，最佳噴淋壓力都是0.3MPa。

三、結(jié)語

本文采用聚氨酯軟泡（FPU）與硬質(zhì)聚氨酯（RPU）材料進(jìn)行水噴淋抑制其燃燒實(shí)驗(yàn)，研究了噴淋壓力對平均火焰高度的影響規(guī)律，研究表明施加水噴淋后對抑制聚氨酯燃燒效果明顯，增大噴淋壓力可以抑制材料燃燒，在噴淋壓力為0.3MPa時(shí)抑制作用達(dá)到頂峰，再增加噴淋壓力抑制作用效果并不明顯。從而得出本實(shí)驗(yàn)結(jié)論：無論是對于RPU還是FPU燃燒來說，噴淋壓力為0.3MPa時(shí)抑制效果最好。

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作者簡介：

康銘洋（1997—），女，滿族，河北承德人，2020年本科畢業(yè)于華北理工大學(xué)，就讀于華北理工大學(xué)安全工程專業(yè)二班。

趙恒澤（通信作者）（1988—），女，山西運(yùn)城人，華北理工大學(xué)安全工程專業(yè)講師。

基金項(xiàng)目：

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.E2018209338）