室內紡織品燃燒火災危險性評估的研究

室內紡織品燃燒火災危險性評估的研究，室內紡織品屬于可燃或易燃材料,由室內紡織品燃燒所引起的火災對人們生命財產造成嚴重危害,是建筑火災危險性評估的重要組成部分。本文概述了室內紡織纖維制品燃燒特性檢測標準方法;詳述了火災危險性評價指標和試驗方法,以及通過試驗數據建立紡織品燃燒性能與火災危險性評估關聯方法等的研究進展。  

室內火災所發(fā)生的環(huán)境屬于封閉空間或者半封閉空間內，具有極大的危險性，會給人們造成嚴重的生命財產損失。據統(tǒng)計，由室內紡織品引發(fā)的火災數量和造成的死亡率都比其他原因引發(fā)的火災數量和死亡率高[1]。在火災環(huán)境中，人們產生恐慌，同時受到火焰、熱浪、煙霧、有毒氣體等的多重沖擊，容易受到傷害，甚至造成死亡。美國統(tǒng)計資料顯示過去40年中，煙氣吸入致死占火災死亡總人數的70%～75%。同樣，歐洲阻燃協(xié)會研究表明，絕大部分人是吸入了煙塵及毒害氣體昏迷后而致死的。  
 

1、燃燒測試標準  

國內紡織品常見的燃燒測試標準包括GB/T5454—1997《紡織織物燃燒性能測定氧指數法》，通過極限氧指數表征材料的燃燒特性，主要與纖維成分、織物結構、織物整理工藝等相關；GB/T5455—2014《紡織品燃燒性能垂直方向損毀長度、陰燃和續(xù)燃時間的測定》和GB/T5456—2009《紡織品燃燒性能垂直方向試樣火焰蔓延性能的測定》主要通過續(xù)燃時間、陰燃時間、損毀長度表征燃燒特性；GB/T8746—2009《紡織品燃燒性能垂直方向試樣易點燃性的測定》用于表征樣品的點燃特性；GB/T11049—2008《地毯燃燒性能室溫片劑試驗方法》用于表征地毯的點燃特性；GB/T14644—2014《紡織品燃燒性能45?方向燃燒速率的測定》通過45?法測量樣品的燃燒性能；FZ/T01028—1993《紡織織物燃燒性能測定水平法》通過水平法測量織物的燃燒性能。以上紡織品的燃燒性能檢測標準已經比較成熟，通過燃燒速度、續(xù)燃時間、陰燃時間、損毀長度等表征紡織品的燃燒性能，提供簡單的燃燒數據，主要用于不同紡織品燃燒性比較，較難用其預測真實環(huán)境中產品的火災危險性。 
 

2、火災危險性評價參數  

室內紡織品作為可燃材料容易引起火災的發(fā)生，同時燃燒過程中能夠加速引導火災蔓延，增加火災載荷，在高溫封閉空間內，因為氧氣濃度下降，處于貧氧狀態(tài)下的紡織品不*燃燒將產生大量有毒氣體與煙霧，危害人們生命財產。室內紡織品作為可燃材料，其火災危險性越來越受到重視。  

火災是可燃材料燃燒的表現，室內紡織品燃燒特性可以從點燃性及燃燒發(fā)展特性等進行綜合分析，主要指標包括易引燃性、火焰蔓延特性、熱量釋放特性、煙霧釋放特性、有毒氣體濃度等，從以上多個方面進行綜合表征，建立紡織品燃燒特性與火災危險性關聯模型。室內紡織織物燃燒火災危險性評價參數主要包括：  

2.1易點燃性  

室內紡織品原材料屬于可燃高分子材料，存在容易被點燃的危險，容易成為火災的著火點。著火過程是無化學反應向穩(wěn)定強烈放熱反應的過渡。室內紡織品的點燃溫度較低，一旦接觸火源，會迅速燃燒，火焰蔓延快，火災危險性大?？扇疾牧显谥鹬?，通常受熱發(fā)生熱解，氣化，釋放出可燃氣體，形成氣相火焰。易點燃性可以通過以下指標來表征：（1）點燃時間：采用錐形量熱儀，從表面受熱開始到出現有焰燃燒現象所需時間，用于表征材料接觸外部熱源被引燃的難易程度，點燃時間越長，表明材料越難以被引燃；（2）極限氧指數：采用在規(guī)定條件下，維持產品燃燒所需的低氧氣濃度來表征；（3）熔點、分解溫度和燃點：可以通過熱重分析儀（TG）測量材料的熔點；通過差示掃描量熱儀（DSC）測量材料的熱分解溫度；當可燃材料在明火點燃下剛剛可以發(fā)生持續(xù)燃燒時，其表面低溫度稱為燃點，也稱著火點，通過著火溫度測定儀測量材料的燃點。  

2.2火焰和熱量  

室內紡織品在燃燒過程中，產生的火焰和熱量容易對人體造成燒傷。在規(guī)定的試驗條件下，紡織品燃燒所釋放的熱量，是描述其火災危險性的重要參數之一，用以表征熱釋放速度與大小，即熱源釋放熱量的能力。通過錐形量熱儀測量熱釋放性，采用熱釋放速率和總釋放熱量作為表征參數，如果材料熱釋放速率越大，熱解速度越快，火焰?zhèn)鞑ニ俣染驮娇欤瑢χ車h(huán)境的影響程度越大。熱危險可以通過火勢增速和釋熱量進行表征[2]。  

2.3煙霧  

紡織品燃燒產生的大部分煙霧顆粒物對可見光是不透明的，有較強的遮光作用，會造成能見度下降，導致人員看不清周圍環(huán)境，辨認目標能力大大降低。煙霧參數可以通過錐形量熱儀或者煙密度箱試驗得到，表征指標有遮光率、生煙速率、總生煙量等。火災中如果煙霧濃厚，人們視野不清，更加劇恐慌，給有限逃生機會增加困難。  

2.4有毒氣體  

大量研究表明，吸入毒性氣體是火災中造成人員傷亡的主要原因之一。室內紡織品燃燒產生的有毒氣體包括各類助劑揮發(fā)氣體、材料燃燒不充分產生的大量CO等。氣體毒性的表征參數為毒氣產率因子。煙氣中毒氣以CO為常見，當空氣中CO的含量超過一定量就會對人體產生傷害，因此CO生成率是衡量材料火災危險性的重要參數。燃燒煙氣毒性是材料火災危險性評估的重要一環(huán)，急需建立評估材料燃燒煙氣毒性的試驗標準[3]。  
 

3、試驗方法  

3.1錐形量熱儀法  

室內紡織品通過錐形量熱儀試驗，可以得到包括熱量釋放指標、煙氣釋放指標、引燃時間等指標，錐形量熱儀試驗方法在火災危險性評估中應用廣泛。錐形量熱儀試驗原理基于材料在錐形加熱器的熱輻射下燃燒時會消耗掉空氣中的氧氣，通過檢測燃燒過程中消耗的氧氣量、產生的煙氣及光通路情況，可獲得樣品燃燒產生的熱量釋放、煙氣釋放等數據。大量研究表明錐形量熱儀試驗結果與大型燃燒試驗具有較好相關性。鄭毛毛等[4]運用錐形量熱儀對棉麻、滌綸、帆布、泡紗、條絨等5種室內裝飾織物的燃燒性能進行了試驗研究，測量室內裝飾織物在不同熱輻射條件下的燃燒特性，對試驗數據進行圖像擬合，通過具體試驗數據和圖像分析比較5種室內裝飾織物在不同熱輻射條件下的點燃時間、熱釋放速率、質量損失速率、比消光面積及一氧化碳生成量，后得出了各種織物的火災危險性相對大小。  

3.2墻角點燃試驗  

墻角點燃試驗是一種全尺度火災試驗研究方法，又稱屋角燃燒試驗，更加接近真實火災條件，可以用來研究室內裝飾材料的火災特性。該試驗方法以模擬墻角火災場景作為標準條件，并規(guī)定試驗樣品的安裝*按實際用途進行，是一種可靠的火災科學研究方法。標準ISO9705的全尺寸房間燃燒試驗就規(guī)定了一種模擬火災的測試方法，該火災發(fā)生在一間房間的墻角部分，使用標準點火源，旨在評估產品對火災發(fā)展的影響。楊昀等[5]采用墻角火試驗方法對裝飾材料火災特性進行研究，包括對材料熱釋放速率、煙氣產生和室內火蔓延方面的研究，分析其研究成果在室內裝飾材料的分類及火災危險性評估中的實際應用情況。馬哲等[6]選取一種典型壁紙在大比例火災試驗臺ISOROOM中進行試驗研究，同時進行小比例錐形量熱儀試驗，對兩種不同比例試驗結果相關性進行研究，提出以錐形量熱儀試驗數據為基礎預測點燃時間、總釋熱量、CO2產率的經驗公式。  

3.3熱分析法  

常用熱分析方法主要包括熱重分析法（TG）和差示掃描量熱法（DSC）。熱重分析法是在程序控制溫度下，測量樣品的質量與溫度變化關系的一種熱分析技術，可以用來研究材料的熱穩(wěn)定性或熱分解性。差示掃描量熱法是在程序控制溫度下，測量輸入到試樣和參比物的功率差與溫度的關系，可以測定多種熱力學和動力學參數。  

李愛民等[7]利用熱分析儀，對幾種典型裝飾織物在封閉空間內貧氧條件下的燃燒特性進行研究。利用熱重-差熱（TG-DTA）分析儀對純棉、棉麻和腈綸這幾種典型的裝飾織物在不同的氧氣濃度（10%、15%和21%）和升溫速率（10K/min和30K/min）條件下進行了熱重分析和差熱分析試驗，研究它們的燃燒特性，并著重進行了不同氧濃度下的對比研究，發(fā)現試樣的燃燒分為兩個階段，并建立了以一級反應模型為主的動力學方程，并得出了各階段的動力學參數、表觀活化能和頻率因子。施海云等[8]對8種典型火災可燃物紡織品的熱解行為進行了熱重分析和差分熱重分析（DTG）研究。通過對TG和DTG曲線的分析，深入研究了天然纖維、化纖及其混紡的熱解特性。根據DTG曲線上峰的個數，將熱解過程分為若干階段，建立多階段熱解虛擬模型，并得出了幾種天然纖維的動力學參數。  

3.4氧指數法  

室內環(huán)境屬于封閉或者半封閉空間，在發(fā)生火災以后，材料燃燒消耗掉大量氧氣，氧濃度急劇下降，出現貧氧狀態(tài)。氧指數法是指在規(guī)定的條件下，材料在氧氮混合氣流中進行有焰燃燒所需的低氧濃度稱為極限氧指數（LOI），極限氧指數高表示材料不易燃燒。氧指數法用來表征材料的易點燃性，用于判斷材料在空氣中與火焰接觸時燃燒的難易程度。在GB8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》認為，對于窗簾幕布、家具制品裝飾用織物，氧指數≥32%為B1級制品，即難燃材料；氧指數≥26%為B2級制品，即可燃材料。氧指數法的標準試驗方法為國家標準GB/T5454—1997。在紡織織物燃燒特性研究中，可用極限氧指數區(qū)分纖維材料的點燃特性，LOI小于26%為可燃或易燃纖維，大部分常用紡織纖維的氧指數都遠低于26%，屬于可燃或易燃材料[9]。  
 

4、火災危險性評估方法  

在建立紡織品燃燒特性與火災危險性評估關聯性研究方面，主要有層次分析法、灰色關聯分析法和FDS場模擬法等。  

4.1層次分析法  

層次分析法（AHP）是美國運籌學家匹茨堡大學教授Saaty提出的一種層次權重決策分析方法。所謂層次分析就是將一個復雜的多影響因素問題作為一個系統(tǒng)，將目標分解為若干層次，通過定性指標模糊量化方法計算出層次單排序（權數）和總排序，以衡量各指標權重的系統(tǒng)方法[10]。層次分析法的基本思想是基于按問題要求建立一個描述系統(tǒng)功能的內部獨立遞階層次結構，通過比較兩因素間相對重要性，給出相應比率標度，構造上層要素對下層相關元素的判斷矩陣，計算相關元素對上層某要素的相對重要序列。運用AHP一般分為3個步驟：首先按照因素間的相互關系影響以及隸屬關系，將因素依照不同的層次聚集組合，形成一個多層次的分析結構模型；其次，根據對客觀現象的主觀判斷，對每一層次因素的相對重要性給以定量描述；后利用數學方法確定每一層次全部因素相對重要性次序的數值，進行一致性檢驗[11]。  

舒中俊等[11]以錐形量熱儀試驗所測量數據為基礎，推導出了火勢增長指數（FGI）、放熱指數（THRI6min）、發(fā)煙指數（TSPI6min）和毒性氣體生成速率指數（ToxGI）4個評價高分子聚合物材料火災危險性的參數，后3個指數以試驗開始后前6min為時間軸，主要是基于一二級耐火等級民用建筑及高層民用建筑規(guī)定的允許疏散時間正好在此時間范圍內，這段時間內材料的燃燒性能對人員安全影響大，并利用這4個參數對16種樣品的火災危險性逐項進行了分析評價，采用層次分析法原理對樣品的火災危險進行了綜合評價及排序，研究結果表明火勢發(fā)展指數和CO生成速率指數對樣品的區(qū)分度較高，可重點研究材料的這兩項指數。蔡晶菁等[2]基于層次分析法，應用錐形量熱儀試驗得出的熱釋放速率（HRR）、質量損失速率（MLR）、比消光面積（SEA）、一氧化碳產率（COY）、生煙速率（SPR）、總生煙量（TSP）等重要參數，提出一種定性與定量相結合的裝飾裝修材料火災危險性綜合評價方法，對裝飾裝修材料火災危險性綜合評價指標（FHI），導入錐形量熱儀試驗數據，得到4個指標值，從而計算出某種具體材料的火災危險性指數（FDI），并且通過量化比較得出化纖窗簾的火災危險性大于尼龍地毯。合理構建出裝飾裝修材料火災危險性的評價指標體系，即層次結構模型，定義了底層指標的表征參數，并依據火災案例等經驗數據確定各指標權重，從而得出裝飾裝修材料火災危險性綜合評價指標值，后通過實例分析，驗證了該綜合評價方法的可行性。  

4.2灰色關聯分析法  

灰色關聯分析法是灰色系統(tǒng)中理論成熟、應用廣泛的一部分，其基本原理是基于對統(tǒng)計序列幾何關系的比較，辨別系統(tǒng)中多種因素間的關聯程度，序列曲線的幾何形狀越接近，則關聯度越大。采用灰色關聯分析法進行火災危險性評估，可以定量分析系統(tǒng)及各層次風險等級，并找出危險指數的核心參數[12]?；疑P聯分析是指對一個系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述和比較的方法，其基本思想是通過確定參考數據列和若干個比較數據列的幾何形狀相似程度來判斷其聯系是否緊密，它反映了曲線間的關聯程度。在系統(tǒng)發(fā)展過程中，若兩個因素變化的趨勢具有一致性，即同步變化程度較高，即可謂二者關聯程度較高；反之，則較低?；疑P聯分析法對于一個系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢提供了量化的度量，適合動態(tài)歷程分析。  

吳蕓[10]用錐形量熱儀對9種不同的典型聚合物材料進行了測試，采用灰色關聯分析法對錐形量熱儀的測量數據，包括9種樣品的毒性氣體生成速率指數、發(fā)煙指數、放熱指數、火勢增長指數等進行計算，根據各因子關聯度大小比較不同樣品之間的火災危險性大小。通過Matlab軟件進行矩陣計算，得到各序列的關聯度結果，選取的參考序列中的各參數均為各項指標中的大值，故相關度越高，代表樣品的火災危險性越大，得出了9種樣品的火災危險性排序。對灰色關聯分析法和層次分析法的計算結果進行了分析比對，并分析了兩種方法排序差異的原因。層次分析法包括各因素權重計算過程，分析結果不但與參評數列的值有關，還與各數值對應的影響因素的權重有關，兩者共同決定了火災危險綜合指數排序，灰色關聯分析法計算結果體現參評數列之間的關聯度，兩種評價方法側重點不同，得到的結果不同。  

4.3FDS場模擬法  

FDS火災模擬系統(tǒng)是美國科學院研制的一款用于模擬火災場景的模擬器，結合實際的火災參數修正，成為模擬火災的重要工具，以火災中流體運動為主要模擬對象的計算流體動力學軟件，重點計算火災中煙氣和熱傳遞過程。FDS程序是開放的，其準確性得到了大量試驗的驗證，因此在火災科學中得到廣泛應用。  
 

在采用FDS場模擬方面，朱五八[14]選擇當前家具市場上具有代表性和普遍性的軟墊家具，運用小尺寸試驗與全尺寸試驗相結合的方法研究了軟墊家具火災特性，進一步在燃燒室內研究通風條件對軟墊家具的火災特性影響，給出了熱釋放速率峰值與通風因子之間線性關系。運用FDS場模擬方法分別研究了受限空間和敞開空間內軟墊家具火災行為，通過比較分析發(fā)現，模擬中熱釋放速率峰值與試驗值基本一致，能夠很好模擬受限空間內軟墊家具火災動力學和熱反饋的作用。同時分析了軟墊家具燃燒過程中對熱釋放速率的影響因素，分別給出了敞開空間和受限空間內的軟墊家具熱釋放速率峰值預測公式，預測結果可以取得較高的精度。李利敏[15]基于辦公建筑內可燃物燃燒特性試驗及小型辦公建筑全尺寸火災試驗，對小型辦公建筑進行了數值模擬，模擬分析了辦公建筑室內及走廊煙氣溫度、煙氣能見度、CO濃度等火場危險性指標。辦公建筑物內火災的大熱釋放速率與通過全尺寸實體試驗得到的大熱釋放速率基本符合，模擬結果表明FDS可以較為準確地預測辦公建筑的火災危險性。  
 

5、結語  

室內紡織織物作為可燃材料或易燃材料，容易被引燃，在燃燒過程中會快速釋放出大量有毒煙氣和熱量，具有較大的危害性。室內紡織品燃燒特性對室內火災的發(fā)生、發(fā)展、蔓延及危害性有重要影響，研究室內紡織品燃燒試驗，建立燃燒特性與火災危險性關聯性，科學合理評估其室內火災危險性，對指導室內紡織品的正確使用具有重要意義。