熱塑性聚合物建筑裝修材料燃燒特性及火災預防研究

王永祝

(濟南市消防支隊，山東 濟南　250101)

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熱塑性聚合物建筑裝修材料燃燒特性及火災預防研究

王永祝

(濟南市消防支隊，山東 濟南250101)

熱塑性聚合物建筑裝修材料一旦發生火災，后果往往比較嚴重。分析了近年來國內外在熱塑性聚合物建筑裝修材料燃燒特性方面的研究成果，結果表明熱塑性聚合物裝修材料具有熔融流動等特性，燃燒過程比較復雜，同時會產生毒性氣體等，威脅人員生命安全。從研發防火阻燃材料等四個方面提出了熱塑性聚合物裝修材料的火災預防措施。

聚合物；裝修材料；熱塑性；燃燒特性

0　引言

隨著我國經濟的快速發展和科技進步，聚合物材料被廣泛應用于建筑領域，成為繼水泥、鋼鐵、木材之后的第四大建筑材料。對于建筑物而言，在建筑內部裝修中，塑料、纖維、橡膠、涂料和膠黏劑等聚合物建筑裝修材料得到了大量應用。在建筑室外裝修中，聚苯乙烯泡沫、硬質聚氨酯泡沫、酚醛泡沫等聚合物材料作為外墻保溫材料也被廣泛應用。

聚合物建筑裝修材料按照熱特性可分成熱固性和熱塑性兩大類。熱塑性聚合物建筑裝修材料因其具有原料來源豐富、密度小、力學、電學、光學性能優良、耐腐蝕、成型加工簡便、制造能耗低等優點，在建筑物中大量使用[1]。聚合物材料雖然可以通過添加阻燃劑等方法提高耐火等級，但也無法保證發生火災后不發生燃燒或導致火災蔓延并釋放有毒氣體。熱塑性聚合物在施工現場存放、施工安裝和日常使用均可能造成火災。近年來，在我國熱塑性聚合物裝修材料引發了多起火災事故。如2010年11月15日，上海市靜安區教師公寓在外保溫施工過程中引發火災，火焰沿外保溫裝修材料迅速蔓延，并通過窗口進入樓層引發室內火災，最終導致整棟建筑立體式燃燒。2009年2月9日，央視新址配樓的室外裝修材料發生火災，同樣導致整棟建筑立體式燃燒，導致一名消防員犧牲，造成了巨大的經濟損失。由此可見，開展熱塑性聚合物建筑裝修材料燃燒特性及火災預防方面的研究，對于降低該類材料的火災事故具有重要意義。

1　熱塑性聚合物建筑裝修材料的燃燒特性

熱塑性聚合物裝修材料燃燒過程是一個氣相輸運和凝聚相輸運過程互相耦合的復雜過程，通常要經歷熱量蓄積、分解或降解和氣化、著火、熱傳遞和蔓延等過程。在外加熱源的作用下，傳遞給熱塑性材料的熱量不斷蓄積，溫度急劇上升，材料發生分解或降解與氣化，這時所得產物有可燃氣體和不可燃氣體，也有聚合物分裂的液體和碳化產物[2]。氣化產物在這一階段又不斷氣化，在氧氣充足的情況下，當可燃氣體達到一定濃度燃燒就有可能發生。燃燒發生后，燃燒產生的熱量通過熱輻射等途徑傳遞回燃燒區域附近的聚合物，上述過程不斷重復使燃燒不斷繼續直至燃燒條件被外界破壞。熱塑性聚合物裝修材料燃燒過程如圖1所示。

圖1　熱塑性聚合物裝修材料燃燒過程

從20世紀80年代末開始，國際上對各種熱塑性材料的火災蔓延規律進行了理論和試驗研究。學者K.Satio和J.G.Quintiere對PMMA的向上火蔓延速率進行了初步研究；K.D. Steckler和T.Kashiwagi等人對非碳化熱塑性材料受熱后的氣化過程提出了解析模型；J. Zhang和T.J.Shields就熱塑性材料的熔融流動行為對其向上火蔓延的影響進行了初步研究，研究結果表明熱塑性材料的向上火蔓延規律與熱固性材料不同，材料的熔融流動行為對向上火蔓延行為有較大的影響；美國NIST的Ohlemiller利用小尺寸試驗研究了聚合物黏性對其熔融流動與可燃性的影響，研究了點火源與材料底部的距離，點火源的放置高度對火災蔓延過程的影響[2]；英國Edinburg大學的Sherratt利用自建的試驗裝置對卷成桶狀的聚乙烯薄膜進行了全尺寸火災實驗，研究了材料在這種形式下的燃燒過程與行為；美國NIST的K.Butler和M.Bockelie等人考慮熱塑性材料受熱的熔融滴落過程，利用粒子有限元法對熱塑性材料無熱解反應條件下的燃燒過程進行了模擬研究。

近年來，隨著熱塑性材料的廣泛使用以及相關火災事故的不斷發生，國內的火災研究學者對火蔓延規律的研究也開始從熱固性材料轉向熱塑性材料。青島科技大學張峰、張軍[3]在早期研究的基礎上，對常見的熱塑性材料的燃燒行為進行了試驗研究，初步分析了熔融流動對向上火蔓延規律的影響，并且提出了利用錐形量熱儀確定聚合物導熱系數的方法；武警學院的舒中俊等人[4]利用錐形量熱儀對聚合物材料進行輻射加熱，研究其熱解燃燒行為，得到了評價聚合物火災危險性的方法；中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室的徐亮等人[5-6]利用ISO9705實驗平臺，對PP、PE、PS、PMMA等熱塑性材料在敞開空間條件下的燃燒行為進行了初步試驗研究。香港理工大學周允基等人[7-8]將熱塑性材料固定在室內的壁面上，對腔室火災條件下的熱塑性材料燃燒行為進行了一些試驗研究。

通過梳理學者們的研究成果可知，在一定條件下，熱塑性聚合物材料引發或者卷入火災后，通常會造成一系列危害，主要體現在熱危害和非熱危害兩個方面，可分別概括為“熱、煙、毒、腐”等方面：如在火災現場釋放大量熱量，通過熱傳導、熱對流和熱輻射等形式將火勢擴大，對人員造成灼傷或對建筑結構造成損壞[9]；釋放大量濃厚煙霧，干擾視線和人員疏散；產生毒性氣體和窒息性產物，直接威脅人員生命安全；產生刺激性或腐蝕性產物，危害人員皮膚、眼睛等器官；燃燒時熔融滴落形成油池火，從而造成火勢擴大或人員燙傷。

可見，熱塑性聚合物材料在火災條件下的燃燒行為比普通固體材料要復雜很多，它在受熱時會經歷降解、氣化、熔融過程，從而導致固體火災和液體火災兩種形式同時存在且相互影響，熔融流動特性也使得熱塑性材料在火災中會通過可燃液體的流動大大增加火災的危害程度。因此，仍需要深入研究熱塑性材料的熔融流動等燃燒特性行為，分析其燃燒過程中固體火災和液體火災的相互影響作用。

2　熱塑性聚合物裝修材料的火災預防措施

從前面的分析可以看出，熱塑性聚合物裝修材料一旦發生火災，后果往往比較嚴重，因此開展其火災預防研究意義重大。結合前人研究成果，當前針對熱塑性聚合物裝修材料的火災預防主要可以從以下四個方面采取措施：

2.1積極研發和推廣防火阻燃材料

大力研發和推廣聚合物防火阻燃材料，改善熱塑性聚合物建筑裝修材料的燃燒性能，降低其火災危險性。其中含添加劑的聚合物材料阻燃性能研究是一個與化學研究相關的領域，國內外眾多研究人員在該領域展開了廣泛的研究。積極研發防火性能較好的玻璃棉、礦棉等保溫隔熱材料，替代熱塑性聚合物建筑裝修材料，從本質上降低建筑材料的火災危險性。如礦棉吸音板、纖維石膏板、膨脹珍珠巖吸音板等輕質板材，均是替代熱塑性聚合物建筑裝修材料的有效辦法。

2.2采取空間分隔措施

新修訂并自2015年5月1日起實施的《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)要求，建筑外墻外保溫系統應每層設置水平防火隔離帶、空腔應在每層樓板處進行防火封堵和電氣線路穿金屬管進行保護等防火保護措施。這是近年來提出的用于外墻保溫系統的防火構造措施，雖然國外已有一些防火構造措施應用研究，但數據仍不充分，下一步可開展外墻外保溫系統防火構造措施有效性方面的研究。

2.3嚴格執行規范的相關規定

通過技術規范對建筑物使用熱塑性聚合物裝修材料進行限制?！督ㄖO計防火規范》對建筑內外保溫系統保溫材料的使用提出了嚴格的要求，一是所有建筑的內外保溫系統嚴禁采用B3級保溫材料；二是人員密集場所和設置人員密集場所的建筑外墻內保溫系統和外保溫系統均應采用燃燒性能為A級的保溫材料；三是其他場所和建筑按照使用功能、建筑高度和無空腔結構、有空腔結構分別提出了明確的強制性要求?！督ㄖ炔垦b修設計防火規范》(GB 50222—2015)按照建筑使用功能、建筑高度和固定消防設施設置情況分別對吊頂、墻面、隔斷、地面、固定家具、窗簾幕布、裝飾物品等室內裝修材料提出了明確規定。

2.4廣泛開展消防宣傳，落實消防安全責任制

各級政府部門應加強消防宣傳和以社會單位為主體的消防安全責任制的落實，充分利用報刊、電臺、電視、網絡新媒體等媒介廣泛開展消防宣傳教育工作，提高全社會的消防安全意識，構建全社會、全方位的輿論監督體系，及時曝光重大火災隱患和消防違法行為。建設、設計、施工、工程監理、公安消防等單位要嚴格執行國家消防技術標準規范，對建筑裝修材料的設計、施工、監督管理等所有環節全面落實消防安全責任制，從而多方合力共同推進熱塑性聚合物建筑裝修材料的火災防控工作。

[1] 程旭東.受限空間內典型熱塑性材料熔融流動燃燒行為研究[D].合肥:中國科學技術大學,2010.

[2] 崔崳.豎直壁面條件下常用有機外墻保溫材料的火災行為研究[D].合肥:中國科學技術大學,2012.

[3] 張峰,張軍.錐形量熱儀確定聚合物材料導熱系數的方法[J].高分子材料科學與工程,2008,24(5):124-127.

[4] 舒中俊,徐曉楠,李響.聚合物材料火災燃燒性能評價——錐形量熱儀試驗方法[M].北京:化學工業出版社，2007.

[5] 徐亮，張和平，萬玉田，等.熱塑性裝飾材料大尺寸火災實驗研究[J].中國科學技術大學學報，2008,38(5):563-568.

[6] 徐亮,張和平,萬玉田.熱塑性裝飾材料點燃性能研究[J].中國工程科學,2007,9(12):39-43.

[7] CHOW W K,LEUNG C W.Necessity of testing fire behaviour of plastic materials under flashover[J].Polymer Testing,2006,25:853-858.

[8] CHOW W K,LEUNG C W,ZOU Gaowan.Flame spread over plastic materials in flashover room fires[J].Construction and Building Materials,2008,22:629-634.

[9] 鐘小璇,陳曦.基于灰色關聯分析法的電纜火災危險性分析[J].安全與環境工程,2010,17(4):60-63.

(責任編輯李蕾)

A Study on Combustion Characteristics and Fire Prevention of Thermoplastic Polymer Decoration Building Materials

WANG Yongzhu

(Ji’nanMunicipalFireBrigade,ShandongProvince250101,China)

In the case of a fire, the results caused by the combustion of thermoplastic polymer decorative materials are very serious. The research results on the combustion characteristics of thermoplastic polymer decoration building materials in China and abroad are analyzed in this paper. The results indicate that the thermoplastic polymer has the characteristics of melting flow, and the combustion process shows a high complexity. Additionally, the combustion produces toxic gases, which pose a threat to the safety of life. Finally, the fire prevention and response measures of thermoplastic polymer decoration materials are suggested from four aspects, such as research and development of fire retardant materials.

polymer; decorative materials; thermoplastic; combustion characteristics

2016-04-10

王永祝(1969—)，男，山東章丘人，高級工程師。

D631.6

A

1008-2077(2016)06-0066-03