火災(zāi)化學(xué)-第十三講課件

第六章材料的火災(zāi)安全性評價材料：指包括金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)聚合物在內(nèi)的各類化學(xué)物質(zhì)，已廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活的各個方面。但是，無論是聚合物材料還是無機(jī)材料，將其暴露于火災(zāi)中時，都會引發(fā)或遭遇一些危害。對于聚合物材料，由于其結(jié)構(gòu)組成中不可避免地存在C、H、O等阻燃性元素，在外界熱源或火源誘導(dǎo)下，很容易發(fā)生燃燒并釋放熱核有毒氣體，從而引發(fā)火災(zāi)并帶來危害。對于無機(jī)材料，如現(xiàn)代建筑中大量使用的鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，雖然本身并不可燃，然而易在火場高溫作用下屈服，導(dǎo)致坍塌等嚴(yán)重事故。因此，對材料的火災(zāi)安全性進(jìn)行分析和評價，是一項必不可少且非常重要的工作，它為材料的合理化設(shè)計和安全應(yīng)用提供理論和實踐指導(dǎo)。第一節(jié)概述一、基本概念1.對火反應(yīng)特征材料在火災(zāi)中的行為是指材料遇火時對火的反應(yīng)特征。一般而言，聚合物材料在火災(zāi)中的行為可以用以下參數(shù)來描述：被引燃的難易程度；火焰?zhèn)鞑ニ俾剩椿鹧嫜夭牧媳砻娴穆铀俾?；耐火性；熱量釋放速率；自熄的難易程度；生煙性，包括生煙量、煙的釋放速率及煙氣組成，特別是有毒氣體或腐蝕性氣體含量等。無機(jī)材料在火災(zāi)中雖不能燃燒，但其在火災(zāi)高溫下的屈服、坍塌或爆裂所造成的危害比聚合物材料有過之而無不及。評價無機(jī)材料的火災(zāi)安全性，耐火性能是一項非常重要的指標(biāo)。

由以上分析可見，材料對火反應(yīng)特性是指表征材料受火時產(chǎn)生的系列性能，包括可燃性、續(xù)燃性、火焰蔓延性、放熱性、發(fā)煙性、產(chǎn)毒性、耐火性等。3.潛在火災(zāi)危險性在發(fā)生火災(zāi)以前，可燃材料、構(gòu)件、組件或制品的對火反應(yīng)特性、危害和趨勢性是潛藏的、未知的，稱為潛在火災(zāi)危險性。4.潛在火災(zāi)危險性評價在不同實驗尺度下，通過不同熱環(huán)境或近火環(huán)境測試獲取可燃材料的對火反應(yīng)特性，運用相關(guān)指標(biāo)、方法對其熱、煙和毒方面的危害和趨勢性進(jìn)行判定的行為稱為潛在火災(zāi)危險性評價。潛在火災(zāi)危險性評價的目的有兩個：評價現(xiàn)有建筑中可燃材料可能產(chǎn)生的火災(zāi)危害及其可能性，尋找材料使用的最安全方式、布局、環(huán)境；為未來材料的選擇和設(shè)計提供依據(jù)；第二節(jié)聚合物材料的火災(zāi)安全性評價聚合物材料的火災(zāi)危險性可分為兩類：熱危險性與燃燒過程中熱量的釋放有關(guān)。非熱危險性與燃燒過程中釋放的煙氣、毒性和腐蝕性燃燒產(chǎn)物有關(guān)一、熱危險性熱危險性：是指與熱過程有關(guān)的危害及其造成危害的趨勢。（一）評價指標(biāo)

1.著火性著火性：是指材料在熱能的作用下，其表面揮發(fā)出的可燃?xì)怏w被點燃的能力。材料的著火溫度越高，材料也就越安全。

材料的著火性可以通過自燃和閃點的溫度來衡量，也可以根據(jù)錐形量熱儀測量的點火時間（TTI）來衡量，或者根據(jù)點燃材料所需的最小熱輻射通量來衡量。材料的點燃時間（TTI或tig）是使材料表面恰好能維持有焰燃燒時需要的時間，以秒（s）為單位。TTI越長，表明聚合物材料在此條件下越不易點燃，材料的阻火性越好。

2.熄滅的難易性材料著火后，越易被熄滅，可能帶來的火災(zāi)危險性就越小。

3.火焰?zhèn)鞑ニ俾驶鹧鎮(zhèn)鞑ニ俾剩菏侵富鹧嫜匾粋€固體表面持續(xù)著火時，火焰前峰移動的速率。火焰?zhèn)鞑ニ俾手苯佑绊懙交馂?zāi)發(fā)展速率和人員逃生可利用的時間。

4.熱釋放速率（HRR）熱釋放速率：是指在預(yù)置的入射熱流強(qiáng)度下，材料被點燃后單位面積的熱釋放速率。

HRR是表征火災(zāi)危險性的重要參數(shù)。（二）對火反應(yīng)測試方法

1.極限氧指數(shù)（LOI）法極限氧指數(shù)（LOI）定義：

在規(guī)定試驗條件下，試樣在氮、氧混合氣體中，維持平衡燃燒所需的最低氧濃度（體積百分含量）。測定標(biāo)準(zhǔn)方法：

ISO4589、ASTMD2863、GB2406-80測定儀器：氧指數(shù)儀2.UL94法（可燃性的測定）可燃性定義：指材料進(jìn)行有焰燃燒的能力。在規(guī)定的試驗條件下，能進(jìn)行有焰燃燒的材料，歸為可燃材料。測定標(biāo)準(zhǔn)方法：此法用于測定按一定位置放置的塑料被施加火焰后的行為。UL94、ISO12992、ISO1210、GB2408-80、GB4609-84測定儀器：水平、垂直燃燒試驗儀（1）

垂直燃燒試驗（94V-0、94V-1、94V-2）垂直燃燒試驗裝置示意圖根據(jù)樣品燃燒時間、熔滴是否引燃脫脂棉等實驗結(jié)果，將材料分級，其中，V-2級為最低阻燃級，V-0為最高阻燃級。UL94V-0、V-1及V-2垂直燃燒測定判別指標(biāo)水平燃燒試驗裝置示意圖若時間超過30s，移走點火源后，試樣還沒燃燒到25mm標(biāo)記處，并自動熄滅，則可劃歸為94HB級；若時間不到30s，試樣就燃燒到25mm標(biāo)記處，則撤去火焰，從火焰燃經(jīng)25mm標(biāo)記處時開始計時，到100mm處或燃燒熄滅時計時結(jié)束，計算燃燒速率。對厚為3-13mm的試樣，若燃燒速度≤38mm/min；或?qū)穸刃∮?mm試樣，燃燒速度≤76mm/min；或試樣燃燒100mm前火即熄滅，則該塑料可劃歸為94HB級。（2）

水平燃燒試驗（94HB）3.錐形量熱儀法錐形量熱儀(ConeCalorimeter)錐形量熱儀(BSEConeCalorimeter)錐形量熱儀的測試參數(shù)（1）

熱釋放速率（HRR）

HRR指單位面積樣品釋放熱量的速率。單位：KW/M2。

HRR的最大值為熱釋放速率峰值（PkHRR）。

HRR或PkHRR越大，聚合物材料表面接收的熱反饋越多，熱裂解速率越快，從而產(chǎn)生的揮發(fā)性可燃物越多，火焰?zhèn)鞑ヒ苍娇臁Ｒ虼司酆衔锊牧显诨馂?zāi)中的危險性就越大。（4）

點燃時間（TTI）

TTI是恰好維持材料表面有焰燃燒時對應(yīng)的時間。單位：S。

TTI越長，表明聚合物材料在此條件下越不易點燃，材料的阻燃性就越好。（5）

質(zhì)量損失速率（MLR）

MLR是聚合物材料在燃燒時質(zhì)量損失的變化速率。單位：g/s。

MLR反映了聚合物材料在一定火強(qiáng)度下的熱裂解速率和行為。4.熱重分析（TG）法熱重分析法是研究聚合物熱解動力學(xué)最常用的一種方法。它在可控的程序升溫下，研究熱解過程中物質(zhì)質(zhì)量與穩(wěn)定之間的關(guān)系，最終從記錄的熱失重（TG）曲線上解析熱解失重速率等參數(shù)，并根據(jù)熱分析動力學(xué)原理，定量描述聚合物熱解過程中活化能的變化，推斷熱解反應(yīng)機(jī)理。5.數(shù)值實驗?zāi)M數(shù)值模擬實驗是指利用先進(jìn)成熟的計算機(jī)軟件對復(fù)雜火災(zāi)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，得到直觀、仿真的結(jié)果，實現(xiàn)對真實火災(zāi)場景某些層次或某些方面屬性的模擬或復(fù)現(xiàn)。評價指標(biāo)和模型1.材料的生煙性根據(jù)測定原理，可將生煙量測定方法分為兩類：光學(xué)法——測定煙密度；質(zhì)量法——測定煙塵質(zhì)量。煙密度箱（NBS煙箱）煙密度箱主要由：輻射加熱器、引燃器、光電測量儀表、記錄儀等組成。實驗時，將試樣在箱內(nèi)燃燒產(chǎn)生煙霧，并測定穿過煙霧的平行光束的透光率（T）變化，再計算比光密度。比光密度（Ds）：單位面積試樣產(chǎn)生的煙擴(kuò)散在單位容積煙箱單位光路長的煙密度。A——試樣暴露面積，mm2；V——煙箱容積，mm3；L——光路長，mm；T——透光率，%。2.燃燒毒性塑料燃燒產(chǎn)物的毒性可以化學(xué)法、生理法、生物法測定，但最常用的是生物實驗法。匹茲堡大學(xué)實驗設(shè)備示意圖該法的基本原理是燃燒一定量的材料，并將大鼠置于燃燒氣態(tài)產(chǎn)物中，再觀察大鼠的受害情況。三、綜合性評價聚合物材料的熱危險與非熱危險相輔相成、緊密聯(lián)系。因此火災(zāi)風(fēng)險評估必須把所有危險因素發(fā)生的概率和造成的后果考慮在內(nèi)。火災(zāi)是分步進(jìn)行的：首先，材料必須被點燃；其次，火災(zāi)必須從燃點蔓延；再次，隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙塵和毒性氣體大量產(chǎn)生。這個過程中的每一個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，且都具有火災(zāi)危險性。火災(zāi)風(fēng)險函數(shù)不是簡單的加和形式，而是乘積形式：R=Af(點燃)a×Bf(發(fā)展)b×Cf(煙氣)c×Df(毒性)d×…第三節(jié)無機(jī)材料的火災(zāi)安全性評價無機(jī)材料：包括混凝土、金屬（如鋼結(jié)構(gòu)）、磚瓦、黏土制品、陶瓷、玻璃、石膏制品等。無機(jī)材料一般屬于不可燃材料，它在火災(zāi)中的危險性主要是由于產(chǎn)生的強(qiáng)烈的熱作用而失去原有物化性能引發(fā)次生災(zāi)害。如，現(xiàn)在建筑中盛行采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)在常溫下具有優(yōu)異的抗震抗彎性能，在高溫下卻非常容易發(fā)生變形，失去承載能力，造成結(jié)構(gòu)整體坍塌。因此，建筑材料無論是否可燃，均具有潛在的火災(zāi)危險性和火災(zāi)風(fēng)險性，必須對其火災(zāi)安全性進(jìn)行分析。一、無機(jī)材料的耐火性能無機(jī)建筑構(gòu)件材料的耐火性能應(yīng)當(dāng)從保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、完整性和隔熱性三方面考慮。

失去穩(wěn)定性：指構(gòu)件（如