兩種類型PMMA板材懸空火蔓延特性對比

王秋紅，彭 斌，唐怡瀟

(西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)板材作為建筑裝飾材料，在采光透明棚頂、建筑采光構(gòu)件、小型建筑防護護板等被廣泛應(yīng)用，在應(yīng)用中常懸空安裝。其屬于高聚合物塑料，極易燃燒，在火蔓延過程中產(chǎn)生熔融滴落現(xiàn)象，易導(dǎo)致火勢范圍進一步擴大。

PMMA板材的表面火蔓延行為受板材厚度、寬度、放置角度等因素影響[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者相繼開展了關(guān)于PMMA板材火蔓延特性的研究。其中，對于寬度影響因素研究，ZHAO等分析不同寬度PMMA板材逆流火蔓延數(shù)據(jù)，構(gòu)建了三維理論模型[4]。ALI等研究不同寬度垂直放置的PMMA板材火焰蔓延行為，考慮側(cè)面空氣卷吸對火蔓延速率的影響，建立了與氣態(tài)傳熱相聯(lián)系的火蔓延模型[5]。劉希平等對比分析了不同寬度PMMA板材豎直貼壁向下火蔓延的火焰溫度、火蔓延速度等參數(shù)變化[6]。PIZZO等得到PMMA板材火蔓延速度隨寬度增加而增長的規(guī)律[7]。

對于放置角度影響因素研究，GOU等發(fā)現(xiàn)垂直PMMA板材燃燒火焰高度主要由板材放熱率和當量直徑?jīng)Q定[8]。JIANG等分析了PMMA板材水平放置情況下，板材寬度和厚度對其穩(wěn)態(tài)燃燒時火蔓延速度產(chǎn)生的影響[9]。AKIHIKO等使用全息干涉技術(shù)測量了不同放置角度PMMA板材火蔓延行為中火焰前鋒位置的溫度分布數(shù)據(jù)，得到其火蔓延過程中以氣相形式傳播至待燃區(qū)域的傳熱量會隨著放置角度的增大而增加[10]。JAMES以放置角度作為實驗變量探究薄板材火蔓延速度，以60°為界，火焰擴散方向發(fā)生改變[11]。CHEN等得到PMMA板材的放置角度與火蔓延速度成正比例[12]。陳瀟研究了不同表面朝向與放置角度下PMMA板材側(cè)向火蔓延的燃燒特性規(guī)律，通過建立燃燒模型和實驗，其結(jié)果顯示燃燒速率隨著壓力和傾角的增大而增大[13]。SUMIT等發(fā)現(xiàn)非平面PMMA板材表面階梯狀結(jié)構(gòu)造成燃燒過程中板材質(zhì)量損失率的增加，從而增加燃燒速率[14]。

關(guān)于PMMA板材燃燒模型的研究，HUANG等開發(fā)了經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)測水平和垂直狀態(tài)下的PMMA板材自燃時間，通過板材表面溫度等反映火災(zāi)危害性[15]。RAKESH等通過火災(zāi)動力學(xué)模擬驗證了水平PMMA板材燃燒過程中氣相火焰結(jié)構(gòu)和流場，解釋了燃燒速率的降低是由表面對流熱通量造成[16]。

熱薄型固體材料火蔓延在多重因素影響下具有一定的復(fù)雜性，雖然目前對常見因素影響火蔓延行為機制有一定共識結(jié)論，但仍有不足，即針對不同生產(chǎn)工藝的PMMA板材以及不同傾斜角度PMMA板材懸空狀態(tài)下的火蔓延特性未進行研究。

因此文中對澆鑄型和擠壓型兩種不同生產(chǎn)工藝PMMA板材的火蔓延現(xiàn)象進行系統(tǒng)的研究，并對不同角度懸空的兩種PMMA板材聚合物燃燒及熔融滴落物[17]等現(xiàn)象進行研究，揭示PMMA板材懸空燃燒時的火焰蔓延行為。

1 實驗方案

采用火蔓延多參數(shù)測量旋轉(zhuǎn)實驗系統(tǒng)開展實驗研究，如圖1所示。實驗系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)平臺，圖像采集系統(tǒng)，熱電偶溫度采集系統(tǒng)，質(zhì)量損失測量系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)終端6部分組成。實驗材料為50 cm(長)×5或10 cm(寬)×0.4 cm(厚)規(guī)格的澆鑄型和擠壓型PMMA板材。用線性點火源對樣品進行點火，8個K型熱電偶測點對板材火焰蔓延過程的溫度變化進行測量。

圖1 火蔓延多參數(shù)測量旋轉(zhuǎn)實驗系統(tǒng)Fig.1 Rotating experimental system for multi-parameter measurement of fire spread

為了減小火蔓延初始階段和后期燃燒階段對火蔓延過程的影響，本次實驗分析選取PMMA板材距點火點5～10 cm處火焰穩(wěn)定蔓延階段熱解區(qū)域的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行研究。根據(jù)模型示意圖2所示，PMMA板材在順流懸空火蔓延的過程中，板材區(qū)域有熱解區(qū)域以及預(yù)熱區(qū)域，熱解區(qū)域表示火焰以及和板材開始熱質(zhì)交換，火焰在燃燒時產(chǎn)生了大量的熱量，當熱解區(qū)域的熱量向上傳遞時，預(yù)熱區(qū)域接受了熱量的傳遞，導(dǎo)致預(yù)測區(qū)域的板材也進行化學(xué)反應(yīng)，也就是火焰蔓延的順流移動。

圖2 懸空順流火蔓延模型示意Fig.2 Schematic diagram of fire spreading model in the air

2 兩種類型PMMA板材火焰形態(tài)對比

因材質(zhì)類型的不同，PMMA板材火蔓延特性有較大差異，火焰形態(tài)也呈現(xiàn)出不同的特征。以50 cm(長)×5 cm(寬)×0.4 cm(厚)規(guī)格的澆鑄型和擠壓型PMMA板材在15°傾斜角度下的火焰?zhèn)纫晥D(MATLAB灰度處理)及火焰正視圖為例，對比說明澆鑄型和擠壓型PMMA板材燃燒時火焰?zhèn)让婧驼嫘螒B(tài)的差異，如圖3～圖4所示。

圖3 兩種類型PMMA板材火焰?zhèn)纫晥D(傾斜角15°)Fig.3 Flame side view of two types of PMMA plates(inclined angle 15°)

圖4 兩種類型PMMA板材火焰正視圖(傾斜角15°)Fig.4 Flame front view of two types of PMMA plates(inclined angle 15°)

從類似圖3的大量實驗中觀察發(fā)現(xiàn)，PMMA板材在燃燒過程中會出現(xiàn)熔融或滴落現(xiàn)象。不同熔融物的形成與聚合材料分子粘度有關(guān)，澆鑄型板材在火焰蔓延過程中存在熱解區(qū)域發(fā)生軟化垂落現(xiàn)象，但由于澆鑄型板材分子粘度高，其熔融物未出現(xiàn)滴落，燃燒表現(xiàn)為整體倒塌類型；而擠壓型板材分子粘度較低，熱解區(qū)域下方已燃燒材料在重力作用下滴落，熔融物呈現(xiàn)為液滴狀。

從圖4(a)可以看到，澆鑄型PMMA板材燃燒在10 s時火焰呈現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，板材在高溫下軟化，兩側(cè)受重力影響下垂，導(dǎo)致火焰從板材中央分離，其次板材側(cè)邊與空氣接觸面大，也是形成雙峰火焰的原因之一；至30 s時，燃燒火焰有向中心靠攏趨勢，板材前端開始形成熔融物；在60 s至90 s時，大量熔融物積聚造成澆鑄型板材熱解區(qū)域出現(xiàn)多點火焰，火焰繼續(xù)向板材中心發(fā)展，擴大熱解面積，熔融物出現(xiàn)延長、垂落現(xiàn)象。從圖4(b)可以看到，擠壓型PMMA板材在10 s至30 s時出現(xiàn)雙峰火焰，板材前端熱解區(qū)域產(chǎn)生小氣泡，形成粘度較低的熔融物；在60 s至90 s時，火焰集中在板材熱解區(qū)域兩側(cè)和熔融物滴落處，兩側(cè)的熔融物向中央?yún)^(qū)域流淌積聚，有小量燃燒形態(tài)的熔融物滴落。從類似圖4的大量實驗中得到澆鑄型PMMA板材因火蔓延形成高粘度不易滴落的熔融物，致使板材熱解區(qū)域呈拖拽舌面形狀，擴大了火蔓延熱解區(qū)域。擠壓型PMMA板材火蔓延形成的熔融物易于滴落，在板材熱解區(qū)域僅形成小面積的拖拽舌面。

3 兩種類型PMMA板材火蔓延特性差異分析

3.1 兩種類型PMMA板材火蔓延溫度影響規(guī)律

使用PMMA板材規(guī)格50 cm×5 cm×0.4 cm(長×寬×厚)，依據(jù)順流火焰蔓延規(guī)律，以15°為變化增量，分別開展傾斜角度為15°，30°，45°，60°和75°懸空火蔓延實驗。不同傾斜角度下兩種類型PMMA板材表面溫度隨時間變化曲線，如圖5所示；兩種類型PMMA板材表面最高溫度與傾斜角度關(guān)系曲線，如圖6所示。

結(jié)合圖5，圖6分析可知，當懸空傾斜角度分別為15°，30°，45°，60°和75°時，對應(yīng)澆鑄型、擠壓型板材的最高溫度分別為852.0，770.8，538.7，601.0，596.0 ℃和704.6，410.4，583.2，597.4，603.9 ℃。隨著板材傾斜角度的增大，測量到的火焰最高溫度呈下降趨勢，高溫停留時間下降，升溫速率增大。

隨著板材傾斜角度逐漸增大，測量得到火焰最高溫度的熱電偶由板材的3#，4#上表面貼壁熱電偶過渡至1#，2#下表面貼壁熱電偶，說明以45°作為熱解變化臨界點，板材火蔓延最高溫度由上表面逐漸轉(zhuǎn)至下表面，即主要熱解區(qū)域由上表面轉(zhuǎn)至下表面。當板材傾斜角度為15°至45°時，板材火蔓延最高溫度逐漸降低，且澆鑄型板材的火蔓延最高溫度大于擠壓型板材；當板材傾斜角度大于60°時，2種板材的火蔓延最高溫度保持一致，數(shù)值都接近600 ℃。

由于PMMA板材燃燒的火焰是不斷變化的動態(tài)過程，導(dǎo)致每組實驗中熱電偶所測溫度有差異。分析其原因，某些組熱電偶測溫時正好處于火焰之中，導(dǎo)致溫度過高，而某些組只是測得火焰區(qū)域附近空氣溫度，導(dǎo)致溫度較低。如圖6(b)中75°傾斜角度下1#熱電偶溫度均高于其他熱電偶，其原因由以上分析可以解釋，其次，澆鑄型PMMA板材燃燒形成的拖拽熔融物導(dǎo)致2#熱電偶處的板材下垂，這也是導(dǎo)致其溫度較與1#熱電偶低的原因。

3.2 兩種類型PMMA板材火焰長度影響規(guī)律

懸空板材的火蔓延一般具有上表面火焰以及下表面火焰，懸空板材在火蔓延熱解過程中，火焰先行熱解區(qū)域的板材因為聚合物板材的粘性問題造成了熔融滴落現(xiàn)象，這導(dǎo)致本次實驗的板材在火蔓延時有垂落待滴落區(qū)域，為下墜區(qū)域。選取PMMA板材火焰蔓延從5 cm過渡到10 cm平穩(wěn)燃燒區(qū)域的數(shù)碼視頻進行解析，每一秒選取圖像一張，通過MATLAB軟件處理為灰度圖像，如圖7所示，是板材在火蔓延時的圖像通過處理的具體數(shù)值標注示意圖。

將二值化圖像中測量3次的火焰長度的均值作為數(shù)據(jù)分析所需火焰長度[18-19]。兩種類型PMMA板材在不同寬度條件下的火焰長度與傾斜角度關(guān)系曲線如圖8所示。

分析圖8得到，對于5 cm寬的PMMA板材，澆鑄型和擠壓型板材的上表面、下表面及下墜區(qū)火焰長度分別為19.95，12.30，22.15 cm和12.83，10.99，14.32 cm。對于10 cm寬的PMMA板材，澆鑄型和擠壓型板材的上表面、下表面及下墜區(qū)火焰長度分別為21.59，14.66，26.75 cm和14.60，11.63，14.59 cm。無論是澆鑄型還是擠壓型PMMA板材，隨著15°～75°傾斜角度的增加，板材上表面、下表面及下墜區(qū)的火焰長度均呈增長趨勢。傾角的增大加快了板材熱解速度和面積，導(dǎo)致火焰長度增長，不同傾斜角度板材火焰長度存在差異，同時還發(fā)現(xiàn)澆鑄型板材的火焰平均長度大于同工況下擠壓型板材，這歸因于兩種類型PMMA板材熔融物熔融狀態(tài)不同和滴落時間的不確定性。擠壓型板材因為熔融物的滴落造成熱解區(qū)域面積的減少，使其上下表面的火焰長度處于較低水平，而其燃燒主要集中在下墜區(qū)域，分散型的火蔓延造成了其火焰長度的降低。另外，板材寬度的增加可使?jié)茶T型板材的火焰長度增加，這是因為增加的板材寬度使得板材前端拖拽舌面的熔融物增多，增大熱解面積；而擠壓型板材熱解區(qū)域熔融物更易積聚，受到重力影響，加快滴落，造成火焰長度損失，故擠壓型板材火焰長度增加并不明顯。以上分析說明，在實際PMMA板材燃燒時，隨著板材傾斜角度越大、寬度越寬，其火災(zāi)危害性越嚴重，原因在于火蔓延區(qū)域的擴大及熔融物滴落頻率的提高。

圖5 不同傾斜角度下板材表面溫度隨時間變化曲線Fig.5 Variation curves of plates surface temperature with time under different tilt angles

圖6 PMMA板材表面最高溫度與傾斜角度關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between maximum surface temperature and inclination angle of PMMA plates

圖7 PMMA板材火蔓延時火焰分布Fig.7 Flame distribution of PMMA plates during fire spread

3.3 兩種類型PMMA板材火蔓延速度影響規(guī)律

通過在板材表面刻度及火焰鋒面到達刻度的時間確定火蔓延速度[20-21]，兩種類型PMMA板材在不同寬度條件下的火蔓延速度與傾斜角度關(guān)系曲線如圖9所示。其中Vmax表示15°～75°傾斜角度區(qū)間板材燃燒最快火蔓延速度。

從圖9中可以看出，隨著PMMA板材傾斜角度從15°增加至75°，最快火蔓延速度上升，且澆鑄型板材總是比擠壓型板材的最快火蔓延速度高。當傾斜角度為75°時，5 cm和10 cm寬度條件下澆鑄型PMMA板材的最快火蔓延速度分別為0.61，0.53 cm/s；擠壓型為0.50，0.51 cm/s。對于澆鑄型板材，寬度的增加可使熱解區(qū)域擴大，形成更多不易墜落的熔融物，板材熱解區(qū)域面積增加，火蔓延速度有所降低；而對于擠壓型板材，寬度的增加使得滴落熔融物質(zhì)量的增大，受重力影響，熔融物的滴落加快了熱解區(qū)域的分離，致使板材熱解區(qū)域面積變小，火蔓延速度加快。

圖8 不同寬度PMMA板材板材火焰長度與傾斜角度關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between flame length and inclination angle of PMMA plates with different widths

圖9 不同寬度PMMA板材火蔓延速度與傾斜角度關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between fire spread velocity and inclination angle of PMMA plates with different width

3.4 不同傾斜角度下火蔓延模型

可燃性高分子聚合物板材的火蔓延行為是固相熱解、流體流動、傳熱傳質(zhì)、氣相與固相可燃氣體與氧化物化學(xué)反應(yīng)、氣固兩相熱傳輸過程等共同作用的結(jié)果。

PMMA板材作為高分子聚合物板材，其燃燒時受熱量輻射熱解出小分子產(chǎn)物；小分子產(chǎn)物隨后與氧氣接觸致使燃燒；燃燒反應(yīng)繼續(xù)釋放出熱量傳遞給尚未產(chǎn)生燃燒反應(yīng)的聚合物，以此引發(fā)新一輪的熱解反應(yīng)以及燃燒反應(yīng)；直至熱量、燃料或者氧氣一方或多方出現(xiàn)不足，最終使得燃燒火焰熄滅。火焰對熱解區(qū)域傳熱時，也會對預(yù)熱區(qū)域傳熱，使預(yù)熱區(qū)域溫度增高，由此導(dǎo)致熱解過程速度增加，從而生成保證整體燃燒行為穩(wěn)定與發(fā)展的熱解氣體。這就是熱解行為中火焰前鋒移動行為——火焰蔓延現(xiàn)象。

根據(jù)PMMA板材燃燒實驗結(jié)果分析出預(yù)熱區(qū)長度及熱解區(qū)長度，再結(jié)合熱薄型固體火蔓延模型(如圖10所示)公式理論計算火蔓延速度。

圖10 熱薄型固體火蔓延模型Fig.10 Thermal thin solid fire spread model

熱薄型固體可燃板材模型假定條件如下：① 忽略表面的熱損失；②板材未受火焰熱流影響時，表面溫度不變；③順流火蔓延時熱解區(qū)對未燃區(qū)的熱傳導(dǎo)為零。

采用熱薄型固體火蔓延模型。其中能量方程見式(1)

(1)

(2)

由公式(1)和式(2)計算得出火蔓延速度VP為

(3)

JAMES認為角度對火蔓延主要作用是影響其表面流場，同時，JAMES研究了火焰向試樣的傳熱，得到了不同放置角度下的表面熱流量[11]

(4)

式中Cq,L為層流燃燒率經(jīng)驗系數(shù)；B為燃燒放熱和熱解吸熱之比。BL的計算公式如下

BL≈YO2,∞Δhc

(5)

PMMA板材的貼壁火蔓延可用圖11表示：整個階段將PMMA板材分為燃盡區(qū)、熱解區(qū)和預(yù)熱區(qū)3部分。熱解區(qū)長度為Xp，熱解區(qū)產(chǎn)生的熱量由浮力誘導(dǎo)會對上方的板材進行預(yù)熱。預(yù)熱區(qū)指從熱解區(qū)前鋒到PMMA板材溫度為環(huán)境溫度的地方，這段距離用δf表示。預(yù)熱區(qū)長度取決于火焰長度Xf，定義為熱解前鋒到火焰前鋒的距離。整個板材表面火蔓延過程為順流固體火蔓延過程。

圖11 傾斜角度下的火蔓延模型示意Fig.11 Schematic illustration of the fire spread model at an oblique angle

固體可燃物火蔓延速度為

(6)

其中熱薄型固體的點燃時間tig可以表示為

(7)

并且qf可以從JAMES的經(jīng)驗公式得到

(8)

其中

BL≈YO2,∞Δhc

(9)

式中qf為加入角度變量的熱解區(qū)域平均熱流；CL為PMMA板材層流燃燒率的經(jīng)驗系數(shù)，選取依據(jù)于公式(4)中的Cq,L，CL=1.5×10-3，δf為預(yù)熱區(qū)域長度；B是燃燒釋放的能量和熱解需要的能量之比；L為PMMA板材分解熱，取L=1.26×103kJ/kg；α為板材傾斜角度；Δhc為PMMA板材的燃燒熱，取2.48×104kJ/kg；YO2,∞為環(huán)境氧含量，取0.233。

將方程(7)(8)(9)帶入方程(6)中可得具有角度變換的熱薄型固體火蔓延速度公式，見式(10)

(10)

式中Vf為帶有角度變量的火蔓延速度;δ為板材厚度，取δ=0.4 cm。

3.5 火蔓延速度分析

厚度0.4 cm的PMMA板材在5和10 cm寬度、不同傾斜角度條件下的理論計算火蔓延速度，見表1。實驗實測火蔓延速度和理論計算火蔓延速度對比圖，如圖12所示。

分析圖12可以得到，同樣傾斜角度的情況下，理論計算火蔓延速度大于實測速度火蔓延速度，原因是理論計算中的熱薄型公式未考慮到板材燃燒過程中存在的熱傳導(dǎo)及熔融物的滴落。

表1 PMMA板材燃燒火焰分區(qū)及計算火蔓延速度

圖12 實測火蔓延速度和理論計算火蔓延速度對比圖Fig.12 Comparison of measured fire spread speed and tehoretical fire spread speed

結(jié)合實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，當板材傾斜角度增加時，火焰逐漸沿板材表面蔓延，這個過程加強了板材燃燒時的熱傳導(dǎo)作用，而熱薄型計算公式中簡化了熱傳導(dǎo)的影響；同時熔融物滴落會導(dǎo)致火蔓延區(qū)域分離，造成熱解區(qū)域燃燒物質(zhì)和火蔓延速度損失。

圖13 實測火蔓延速度和修正理論火蔓延速度對比圖Fig.13 Comparison of measured fire spread speed and modified theoretical fire spread speed

4 結(jié) 論

1)PMMA板材燃燒時，懸空火蔓延的熔融滴落狀態(tài)為整體坍塌型，火焰形態(tài)呈團聚大區(qū)域型，在實際的火災(zāi)中，會導(dǎo)致主體板材附近可燃物的火災(zāi)擴散。擠壓型板材懸空火蔓延的熔融滴落狀態(tài)為小液滴型，火焰出現(xiàn)在板材熱解區(qū)域兩側(cè)和熔融物滴落處，形態(tài)為分散小區(qū)域型，在實際的火災(zāi)中，會導(dǎo)致主體板材下部的可燃物的火災(zāi)擴散。

2)火蔓延的最高溫度點會隨著傾斜角度的增大由上表面過渡至下表面，隨著板材傾斜角度的增加，火焰最高溫度隨之降低，高溫點持續(xù)時間降低，升溫時間先降后升；對比澆鑄型和擠壓型板材，平均最高火焰溫度為671.7，579.9 ℃；升溫時間在45°時最短，為40，35 s。

3)當PMMA板材傾斜角度在15°至75°之間時，隨著傾角增大，火蔓延速度增加，并且澆鑄型火蔓延速度大于擠壓型；5 cm/10 cm寬度條件下澆鑄型PMMA板材的最快火蔓延速度分別為0.61，0.53 cm/s；擠壓型為0.50，0.51 cm/s。對比熱薄型公式和實驗火蔓延速度，理論計算火蔓延速度大于實際火蔓延速度。熱薄型公式對板材燃燒熱傳導(dǎo)作用和熔融物滴落現(xiàn)象的忽略導(dǎo)致了與實際火蔓延速度的差異。

4)由于隨著傾斜角度的增加，板材的火蔓延速度呈上升狀態(tài)，板材傾角大于45°時，熱解火焰由上表面熱解區(qū)域主導(dǎo)過渡至下表面熱解區(qū)域主導(dǎo)，順流火焰逐漸貼壁蔓延，板材下表面的火蔓延易擴大火災(zāi)規(guī)模，造成更嚴重危害。在實際應(yīng)用中，PMMA板材采取小傾角懸空安裝方式，同時也應(yīng)及時處理熔融物，防止火災(zāi)擴散，降低火災(zāi)危害。