兩種地毯燃燒性能的實驗研究

高磊¹　李會榮²　劉今爍¹

（1.武警學院研究生三隊，河北　廊坊；2.武警學院消防工程系實驗中心，河北　廊坊）

摘要：地毯是常用的鋪地材料，由于其可燃的燃燒特性，不僅增大了室內的火災荷載，也助推了火勢在水平方向上的蔓延，地毯的火災危險性是不容忽視的。本文選取羊毛地毯和丙綸地毯作為研究對象，通過地毯燃燒性能45°測試和在線煙氣成分分析等試驗研究其燃燒性能，并對比分析其火災危險性。研究結果表明：丙綸地毯比羊毛地毯的火災危險性高，更易于被引燃，引燃后火勢蔓延和產生有害煙氣速度更快，更不利于火災初期人員的安全疏散；羊毛地毯的煙氣產生總量較丙綸地毯大，其存在的潛在危險性也很大。

關鍵詞：地毯；蔓延性能；煙氣成分；熱輻射強度

1　引言

地毯可以改善室內環境、美化建筑空間，但其可燃性、產煙性以及煙氣毒害性等燃燒特性對建筑火災的發生、發展和蔓延也有重要影響。因此，研究常用地毯的燃燒性能，合理準確評價地毯的火災危險性，對指導地毯的選擇、安全使用和室內建筑火災的預防與控制具有一定的指導意義。

目前國內外很多學者就鋪地材料的火災危險性進行了探討和實驗研究，但這些研究所選地毯種類和試驗方法均比較單一，并且沒有對地毯在火災時的煙氣成分及其毒害性進行深入探討^［1～3］。然而在火災初期影響人員安全疏散最重要的因素是煙氣的毒性。而且近年來建筑火災中喪生的人，80％以上是因為吸入了火場有毒氣體而死，而不是由于火的高溫造成的^［4］。針對上述不足，本文選取了使用越來越多的羊毛地毯和常見的丙綸地毯作為研究對象，通過地毯45°燃燒測試儀試驗和在線煙氣分析試驗分別研究地毯燃燒時的蔓延性能和煙氣成分的變化規律。

2　實驗研究部分

2.1　實驗儀器

本文選用了南京市江寧區分析儀器廠生產的JC-01型地毯45°燃燒儀，實驗裝置如圖1（a）所示。英國FTT公司生產的錐形量熱儀，以及德國MRU GmbH公司生產的多組分煙氣分析儀。該煙氣分析儀有8個氣體通道，因此可用于半連續自動測量煙氣中的SO₂、CO、NO、CO₂等8種氣體的含量變化情況。基于錐形量熱儀平臺，將多組分煙氣分析儀上帶有氣體探頭的軟管與錐形量熱儀的一級過濾器相連，抽取煙氣并進行成分和含量的分析。在線煙氣成分分析系統的結構圖見圖1（b）。

2.2　實驗材料及制備

選取羊毛地毯和丙綸地毯作為研究對象，實物圖如圖2所示。

實驗前，按照國家標準和實驗要求，將地毯裁制成標準試樣，試樣的尺寸見表1。

2.3　實驗方法及方案

2.3.1　地毯燃燒性能45°試驗方法及方案

根據GB/T 14768—93《地毯燃燒性能45°試驗方法及評定》，測試地毯以45°傾斜放置時，地毯試樣表面在火焰作用下的燃燒性能。在規定的試驗條件下，對45°傾斜放置的地毯試樣表面點火一定的時間，測量其持續燃燒時間、陰燃時間和燒損長度。具體實驗方案見表2。

2.3.2　在線煙氣成分分析試驗方法及方案

在線煙氣成分分析是將多組分煙氣分析儀與錐形量熱儀聯用，基于錐形量熱儀平臺，應用多組分煙氣分析儀實時在線檢測不同熱輻射強度下羊毛地毯和丙綸地毯燃燒過程中煙氣成分的濃度變化情況。通過模擬地毯在火災條件下煙氣中有毒有害氣體的產量變化情況，進而研究材料的產煙特性。具體實驗方案見表3。

3　實驗結果與討論

3.1　地毯燃燒性能45°測試試驗的結果與分析

根據GB/T 14768—93《地毯燃燒性能45°試驗方法及評定》，應用地毯45°燃燒測試儀對兩種地毯的背襯和纖維表面分別受火時的燃燒情況進行研究。表4為地毯燃燒性能45°測試結果，通過實驗發現

（1）丙綸地毯在地毯背襯（底面）和纖維表面（正面）受火這兩種情況下均可以被點燃，且火焰不熄滅，直至試樣全部燃完，燃燒過程中發現地毯發生卷曲，并且不斷產生帶火焰的滴落物，火焰消失后無殘燼。

（2）羊毛地毯在地毯背襯（底面）受火的情況下，地毯纖維表面慢慢熔化，并有起泡現象。270s開始有非燃燒狀態的油狀滴落物，780s時地毯被燒穿，試樣突然猛烈燃燒，同時發生卷曲，并產生帶火焰的滴落物。明火焰消失后，殘余的羊毛地毯開始無焰燃燒。

（3）羊毛地毯在纖維表面（正面）受火的情況下，地毯的纖維表面熔化，施焰結束后，地毯表面出現一閃即滅的火焰，隨后完全熄滅。

羊毛地毯纖維表面受火時，地毯不會被引燃，羊毛地毯背襯長時間受火，地毯會被燒穿并發生猛烈燃燒；丙綸地毯在兩種情況下均會被點燃，且火焰不熄滅直至地毯燃盡。而且羊毛地毯在背襯受火情況下的持續燃燒時間也要遠遠長于丙綸地毯。

3.2　在線煙氣成分分析

3.2.1　地毯煙氣成分分析

基于錐形量熱儀，應用多組分煙氣分析儀分析了地毯在燃燒過程中實時產生的煙氣的成分，發現存在CO、CO₂、NO和SO₂等氣體。圖3、圖4分別為熱輻射強度為35kW/m²時，羊毛地毯和丙綸地毯燃燒生成的煙氣中O₂、CO、CO₂、NO和SO₂等氣體濃度隨時間的變化曲線。

實驗開始時，由于試樣表面溫度沒有達到著火點，此時地毯處于熱分解階段。由圖3、圖4可以看出，羊毛地毯和丙綸地毯熱分解時均會釋放出NO。隨著試樣表面溫度升高，地毯被引燃，開始燃燒，O₂濃度下降，CO、CO₂、NO以及SO₂濃度迅速升高。

由圖3可以看出，當t=230s時，羊毛地毯生成的NO和CO₂濃度達到最大值，同時O₂濃度達到最小值。t=280s時，CO濃度達到最大值；t=390s時，SO₂濃度達到最大值。隨后，O₂濃度逐漸升高，CO、CO₂、NO以及SO₂的濃度隨時間逐漸降低。

由圖4可以看出，丙綸地毯燃燒生成氣體成分隨時間的變化趨勢比較明顯。CO、CO₂、NO和SO₂的濃度在試樣被引燃后開始急劇上升，當t=105s時，CO、CO₂和NO濃度達到最大值，同時O₂濃度達到最低，t=140s時，SO₂濃度達到最大值。

由于不同材料樣品質量不同，燃燒生成氣體濃度峰值差異較大，但從開始引燃操作至毒性氣體濃度達到峰值所需的燃燒時間，可以分析出材料燃燒危害性的相對大小。羊毛地毯開始燃燒后280s內有害氣體濃度達到極值，而丙綸地毯僅需要105s，由此看出，丙綸地毯燃燒速度快。在火災中，丙綸地毯一旦引燃會快速進入全面燃燒階段，產生大量有毒煙氣，對火災現場人員的逃生十分不利。

3.2.2　兩種地毯產生的各氣體對比分析

選取在熱輻射強度為35kW/m²條件下，羊毛地毯和丙綸地毯燃燒生成的CO、CO₂、NO和SO₂氣體濃度變化情況分別進行對比。

由圖5可以更加準確地看出，丙綸地毯生成CO、CO₂、NO和SO₂氣體濃度達到峰值的時間均比羊毛地毯早；對比各氣體濃度峰值大小，可以知道，兩種地毯生成的CO和SO₂氣體濃度峰值相近，而羊毛地毯生成CO₂和NO氣體濃度峰值比丙綸地毯大，其中NO氣體濃度峰值差距明顯，這與羊毛地毯成分中的含氮量大于丙綸地毯相關。

3.2.3　熱輻射強度對地毯煙氣成分的影響

火災中的毒性氣體不僅與材料種類有關，而且與火場中溫度變化情況密切相關。為了考察火災環境中熱輻射強度對地毯燃燒生成毒性氣體濃度的影響，本文分別研究了熱輻射強度為25kW/m²、35kW/m²和50kW/m²情況下，地毯燃燒煙氣中各成分濃度的變化規律。圖6～圖9分別給出了兩種地毯在不同熱輻射強度下燃燒生成CO、NO、CO₂和SO₂的濃度變化曲線。

由圖6～圖9可以看出，羊毛地毯和丙綸地毯在不同熱輻射強度下燃燒生成的CO、NO、CO₂和SO₂濃度變化趨勢相似，即隨著熱輻射強度的增加，地毯燃燒生成有毒氣體的濃度增大。可見，熱輻射強度對煙氣中有毒氣體的含量均有影響。

為了更清晰地分析熱輻射強度對地毯燃燒生成有毒氣體濃度的影響，將實驗過程中生成CO、NO、CO₂和SO₂濃度的平均值和最大值進行了對比分析，表5給出了兩種地毯在不同熱輻射強度下的CO、NO、CO₂和SO₂濃度變化的特征值。

由表5可以看出，隨著熱輻射強度的增大，兩種地毯燃燒生成CO、NO、CO₂和SO₂濃度的平均值和最大值均有明顯增大的趨勢。通過對生成CO、NO、CO₂和SO₂濃度最大值和平均值的分析，更能清楚地說明熱輻射強度對地毯燃燒生成煙氣規律的影響作用。

經過上述實驗發現，火災中地毯燃燒生成的有毒氣體濃度，不僅與地毯種類有關，還與火災環境下的熱輻射強度相關。如果火災環境中的熱輻射強度較大，即溫度較高時，火場煙氣中的毒性氣體含量越大，更不利于火災現場中的人員逃生及疏散。

4　結論

通過地毯燃燒性能45°測試和在線煙氣成分分析試驗對比分析羊毛地毯和丙綸地毯的燃燒性能，得出主要結論如下。

（1）丙綸地毯較羊毛地毯更易于被引燃，引燃后火勢蔓延和產生有害煙氣速度更快，更不利于火災初期人員的安全疏散。在火災初期，丙綸地毯的火災危險性更大。

（2）羊毛地毯和丙綸地毯燃燒過程中產生的煙氣中均含有CO、CO₂、NO和SO₂等有害氣體，且丙綸地毯燃燒生成有害氣體濃度達到極值的時間比羊毛地毯短。

（3）隨著熱輻射強度增大，兩種地毯燃燒生成有害煙氣的速率均加快，有害氣體含量均變大，可見地毯燃燒生成煙氣成分與熱輻射強度有關。

（4）羊毛地毯雖然在引燃性和引燃后火勢蔓延方面要優于丙綸地毯，但進入火災全面發展階段后，因其煙氣產生總量量大，存在的潛在危險性也很大。

參考文獻

［1］　肖智仁.鋪地材料燃燒性能測試方法的研究.消防科學與技術，2012，31（9）：916-918.

［2］　張福泉，謝飛，楊亮.常見地毯阻燃性能試驗分析.消防科學與技術，2013，32（8）：904-906.

［3］　徐曉杰，周杰.不同條件下地毯燃燒性能的試驗研究.武警學院學報，2012，28（8）：13-14.

［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.