基于锥形量热仪法纺织品燃烧特性应用研究

摘要

本文概述了纺织品传统燃烧性能的测试方法及标准、表征指标以及在燃烧火灾危险性评估中的局限性，重点详述了锥形量热仪法的测量原理、燃烧特性表征，对锥形量热仪法在纺织品燃烧特性测试评价中的应用发展进行研究。

关键词：锥形量热仪；热释放速率；纺织品；燃烧特性；总生烟量

1 引言

目前，纺织品传统燃烧性能试验方法及标准主要集中在测试纺织品的易点燃性以及点燃以后燃烧的速度、样品的破坏程度等，属于小型试验，其试验环境与真实火灾相差较大，试验获得数据不能很好表征其在火灾中所能造成的危险性，不能作为评价纺织品在真实火灾中燃烧的依据，更不能反映人体在火灾中由于纺织品燃烧受到的伤害，如热浪伤害（热释放）、烟气使人窒息（烟气释放）、中毒（烟气毒性）等，不能反映在实际火灾中由于纺织品的燃烧所造成的对环境的损害[1]。

为了真实客观地评价火灾中材料的燃烧特性，1982年Babrauskas等人开发设计了锥形量热仪（Cone Calorimeter，称CONE）。在锥形量热仪试验中，材料的燃烧环境与真实火灾环境相似，其试验数据与大型燃烧试验结果之间存在很好的相关性，在表征纺织品的燃烧特性、评价纺织品存在的火灾危险性方面具有重要意义[2]。锥形量热仪基于氧气消耗原理进行设计，用来测量纺织品燃烧时的热释放速率、引燃时间、质量损失速率、有效燃烧热、烟气释放速率、有害气体含量等，这些参数对于分析纺织品的综合燃烧特性，客观评价预测纺织品在真实火灾中的燃烧行为和危害十分有用[3]。锥形量热仪是表征纺织品火灾环境燃烧特性的较为理想的试验仪器。

2 传统燃烧测试方法

2.1 表征指标

目前，纺织品的传统燃烧性能测试方法主要包括45°法、垂直法、水平法、燃烧片剂法、氧指数法等。表征指标主要包括：引燃时间、续燃时间、阴燃时间、火焰蔓延时间、损毁长度、火焰蔓延距离、火焰蔓延速率、燃烧速度、极限氧指数等，这些指标主要反映了纺织品在试验条件下燃烧的快慢程度、样品的损坏程度、容易被火焰点燃的程度等。

2.2 局限性

燃烧试验涉及到环境、热量、氧气等多种因素，且这些因素在真实火灾中是动态的，因此燃烧试验非常复杂。纺织品传统燃烧性能试验方法所获得的试验数据具有一定局限性，不能模拟纺织品在真实火灾中的燃烧行为，不能用于评估大型火灾火情危险性及可能造成的哪种危害，只能用于一定试验条件下，比较不同纺织材料及其制品的阻燃性能。

3 锥形量热仪法

3.1 锥形量热仪

锥形量热仪是20世纪80年代初发展起来的一种燃烧测试装置，能模拟真实燃烧时的各种参数，可以测量材料燃烧时的热释放速率。此外，它还可以测量纺织品的点燃时间、质量损失速率、烟气释放速率、有效燃烧热、有害气体含量等参数，这些表征指标可以综合评价纺织品的燃烧特性。

一种典型的锥形量热仪结构示意图如图1所示，主要结构包括：1-仪器箱体；2-圆柱状过滤器；3-气体流量计；4-调速装置；5-变速电动机；6-鼓风机；7-排烟管；8-测压端口；9-测温热电偶；10-样品气取样环；11-烟尘过滤管；12-按钮开关控制面板；13-吸烟管道；14-引风罩；15-防护罩；16-激光测烟系统；17-样品气过滤系统；18-温度控制调节器；19-锥形电加热器；20-样品燃烧盒；21-称重传感器；22-远程控制手柄；23-氧气分析仪；24-气体流速控制板；25-制冷装置；26-隔热板转动手柄；27-甲烷燃烧器；28-电子脉冲点火器；29-真空泵。

当纺织品在锥形电加热器的热辐射下燃烧时会消耗掉空气中一定浓度的氧气，通过检测燃烧过程中消耗的氧气量、产生的烟气及光通路情况，可获得样品燃烧产生的热释放、烟气释放等数据，可以对燃烧的烟气进行收集，分析烟气中的有害物质，评估烟气毒性。目前采用锥形量热仪法的试验标准包括美国材料试验协会标准ASTM E1354- 2010 《使用耗氧量热计测试材料和产品的热和可见烟释放速率的方法》和国际标准ISO 5660-1：2002《对火的反应试验 热释放率、发烟率和质量损失率 第1部分 热释放率（锥形量热计法）》等。

3.2 表征指标

纺织品通过锥形量热仪试验，可以得到的燃烧数据主要包括热量释放指标、烟气释放指标、毒害物质指标、引燃时间等，这些试验数据在纺织品阻燃性能研究评价以及纺织品所造成的火灾危险性方面应用广泛，具有重要意义。

3.2.1 热释放性指标

纺织品从燃烧开始就释放出热量，同时气相、液相和固相物质等的温度升高，燃烧持续，在这一阶段，最重要的是材料的燃烧热量释放，一般来说，纺织品燃烧时释放的热量越多，热量释放速度越快，火灾的危险性越大[3]。

常用的热释放性表征指标主要包括热释放速率、有效燃烧热、总释放热量[4]。纺织品的热释放速率（HRR）是指在设定的入射热流强度下，单位面积纺织品燃烧所释放热量的速率，其最大值为热释放速率峰值（pkHRR），表征的是纺织品燃烧过程中的最大热释放程度。HRR和pkHRR越大，纺织品燃烧时释放的热量越大，造成的火灾危险程度就越高。采用锥形量热仪还可以测量出纺织品在燃烧过程中的热释放速率随时间的动态变化。而总释放热是指在设定的入射热流强度下，纺织品从点燃到火焰熄灭为止所释放热量的总和。有效燃烧热表示在燃烧过程中的某个时刻，热释放速率和质量损失速率之比，反映的是燃烧中挥发性气体在火焰中的燃烧程度，可用于分析阻燃纺织品的阻燃机理。

3.2.2 烟气释放指标

烟气释放指标主要包括生烟速率和总生烟量等。锥形量热仪采用比消光面积来表示纺织品燃烧时的烟气释放。一般火灾烟气中颗粒物直径为几个微米到几十个微米，而可见光波长在0.4～0.7微米，烟气颗粒物对可见光有遮蔽作用，烟气的释放会大大降低火灾现场的能见度，使人们产生恐慌心理，不能合理逃离火场，增大了火灾的危险性。

3.2.3 毒害物质

根据各类火灾资料统计，纺织品燃烧产生的烟雾毒害物质，其危害性常比燃烧时产生的火焰和热量更为严重，是火灾中导致人类死亡的主要因素之一[5]。锥形量热仪可以采用附加设备采集烟气进行毒害物质分析。纺织品燃烧时释放出的烟气中，含有一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、各种氮氧化物、含碳无机物等毒害物质，这些气体一旦被人体吸入，危害极大。

3.2.4 其他指标

其他指标包括质量损失速率、引燃时间等。其中质量损失速率是纺织品在燃烧过程中质量随时间的变化率，主要反映样品在一定辐射热流强度下热裂解速度，同时可以得到样品的质量损失曲线，了解不同时刻样品的残余物质量，用于材料裂解行为分析。引燃时间则是在设定的辐射热流强度下，纺织品表面受热到出现火焰燃烧所用时间，用于表征纺织品容易被点燃的程度。

4 研究进展

在纺织品阻燃整理表征评价方面，朱平等[3]利用锥形量热仪对阻燃及未阻燃棉织物的热释放速率、有效燃烧热、CO/CO2比及残渣量进行分析。结果表明：对比未阻燃织物，阻燃织物的热释放速率和燃烧的有效热大大降低，CO/CO2比及燃烧后的残渣量有很大提高。纺品的热释放速率数值大小是评判着火危险性的主要依据，对于阻燃整理纺织品，阻燃剂的引入可以大大降低纺织品的热释放速率，达到减缓燃烧过程、降低燃烧危险性的目的。

王晓春等[6]利用锥形量热仪法研究阻燃整理前后涤棉混纺织物的热释放性能、烟气释放性能及其毒性的变化。王然等[7]采用锥形量热仪研究了普通棉、毛、涤纶织物和含磷类阻燃棉、涤纶织物以及阻燃羊毛织物燃烧过程中一氧化碳（CO）的释放情况。

在纺织品火灾危险性评估及模型研究方面，郭大为等[8]研究了使用锥形量热仪测量获得的试验数据来预测垂直表面火灾向上传播的情况，并提出更为适宜的模拟试验程序，建立了两个火焰传播的模型来预测全规模火灾模型。

舒中俊等[9]以锥形量热仪试验数据为基础，推导出了火势增长指数（FGI）、放热指数（THRI6min）、发烟指数（TSPI6min）和毒性气体生成速率指数（ToxGI）4个评价高分子聚合物材料火灾危险的参数，并利用这4个参数对16种样品的火灾危险性逐项进行了分析评价，采用层次分析法原理对样品的火灾危险性进行了综合评价。徐亮等[10]根据锥形量热仪中热辐射均匀分布的特性，从一维热传导方程出发，应用简化的边界条件，推导了无量纲化的传热方程，通过数值模拟的方法计算得到无量纲点燃时间，利用幂指数线性拟合的方法得到了热薄型、热中型和热厚型材料的点燃时间公式，通过无量纲热辐射通量给出了各预测公式的适用范围。

为了查明床上火灾事故发生的深层次原因以及火灾发展蔓延的过程，童华伟等[11]用锥形量热计测试棉样品的质量损失速率、热释放速率、CO浓度等重要数据，通过数据分析，得出棉制品的燃烧特性，对床上火灾事故过程分析和原因调查起到指导作用。

在采用锥形量热仪法进行纺织品燃烧性能试验参数影响研究方面，王然等[12]研究了格栅对锥形量热仪最大热释放速率的影响。高萍等[13]利用锥形量热仪研究了几种铺地材料的热释放速率、点燃时间、总释放热、总生烟量等燃烧性能与临界热辐射通量之间的关系。刘向峰等[14]研究了采用锥形量热仪法的热释放速率的计算公式，并讨论了公式中的主要参数对高分子材料热释放速率的影响以及相应校正方法。

罗胜利等[15]采用锥形量热仪测量纺织品燃烧和过程热释放及烟释放性能，研究辐射热流强度对纤维材料燃烧行为的影响以及不同纤维原料的产品在相同辐射强度条件下的燃烧行为。

5 结语

基于锥形量热仪法表征测试纺织品的燃烧特性，可以从点燃性能、热释放速率、总释放热、单位时间生烟量、总生烟量、烟气毒性分析等方面进行分析，试验数据可用于纺织品阻燃整理测试表征和评价，进行纺织品阻燃整理机理研究；可用于评估纺织品造成的火灾危害程度。加强锥形量热仪试验方法在纺织品燃烧特性的应用研究，可以进一步完善纺织品燃烧性能的测试表征手段。锥形量热仪法在纺织品阻燃整理机理、燃烧危险性等级、燃烧类型研究等方面具有重要意义。

参考文献：

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