基于锥形量热试验测定材料阴燃属性及点燃时间的方法

摘要

本发明公开了一种基于锥形量热试验测定材料阴燃属性及点燃时间的方法，具体步骤如下：准备好锥形量热仪，取两组相同厚度的待测材料备用；将两组待测材料分别用锥形量热仪采用高低不同的热辐射强度进行照射；在锥形量热仪中观察是否为无焰燃烧，通过总放热量HRR或THR观察是否有放热现象；按照《建筑材料热释放速率试验方法》GB/T16172进行试验；根据无焰燃烧、两组试样的热释放性、CO释放性对比判断所述待测材料具有阴燃属性；具有阴燃属性的材料根据其HRR曲线，确定点燃时间。本发明采用的锥形量热仪为通用试验设备，设备的热辐射强度可以调整，基于锥形量热试验确定材料的阴燃属性具有可实施性和操作性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种确定材料燃烧属性的方法，具体是一种基于锥形量热试验测定材料阴燃属性及点燃时间的方法。

背景技术

固体物质燃烧可分为有焰燃烧(明燃)、无焰燃烧和阴燃。固体的有焰燃烧是固体物质裂解的可燃气体在固体表面燃烧而形成的可见光(火苗)的燃烧现象。所谓“阴燃”是没有火焰的缓慢燃烧现象，是固体燃烧的一种形式。阴燃与有焰燃烧的区别是阴燃不产生明显的可见光的燃烧；阴燃与无焰燃烧的区别是阴燃能热分解出可燃气体，因此在一定条件下阴燃可以转换成有焰燃烧。

阴燃反应机理通常分为两部分：一是无氧热解反应，通过吸热裂解释放可燃气体；二是有氧热解反应，通过放热来提供阴燃所需的能量。阴燃是发生在固体燃料及其表面气体氧化剂之间的放热燃烧反应。阴燃反应是以一定速率由表及里传播过程，其传播速度取决于氧气扩散进入材料的速度，也取决于材料的渗透性。

阴燃是固体燃烧的现象之一，具有一般燃烧过程所具有的特点，如自维持、放热、氧化反应、热解反应等。发生阴燃的材料具有多孔松散材质特点，如棉花、木炭、香烟等等。利用阴燃特性，人们进行了有益的运用，例如蚊香、取暖木炭等。但是，阴燃造成的火灾具有极大的危险性，表现在如下几个方面。(1)阴燃属于无焰燃烧，不会表现出有焰燃烧产生的火光和浓烟。因此，阴燃不易觉察，具有极大潜伏燃烧和蔓延特性。(2)阴燃会热解出大量可燃气体，这些可燃气体的浓度在阴燃条件下不足以燃烧而被释放出来，其中的一氧化碳具有不易觉察的毒性。一氧化碳对全身的组织细胞均有毒性作用，对大脑皮质作用最为严重，麻痹的大脑皮质使人无法实现有目的的自主运动，手脚已不听使唤，无法进行有效的自救。(3)阴燃具有燃烧缓慢、长期自维持。一些森林火灾的残余木炭的燃烧可以持续几天。(4)阴燃可以转化成明燃，也可以点燃其他燃烧物质，形成更大形式的燃烧和火灾。阴燃形式的烟头点燃棉织品，燃烧由阴燃的棉织品引起剧烈的火灾。这一类型的火灾屡见报道。

并非所有的扩孔松散材料都具有阴燃属性，因此判断一种材料是否具有阴燃属性，对于减灾防灾、消防策略具有重要的实际意义。

一种材料能否阴燃有两个基本判据：一个是它必定是疏松的，第二是在高温热分解时必然产生炭化。因此，热固性材料均具有阴燃的可能性。并非所有的无焰燃烧均属于阴燃，是否阴燃需要试验方法测试确定。

《建筑外墙外保温系统的防火性能试验方法》GB/T29416中提出了对材料阴燃特性的试验方法。将100mm的立方材料试样中心插入热电偶，置于到有通风装置的加热炉中，升温至400℃，并维持温度该温度24小时，通过炉温曲线和试样内部的温度曲线判断材料的阴燃倾向。但是，该方法仅作为阴燃倾向，即阴燃的可能性大小，而不能直接作为材料具有阴燃属性的判断方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实施性和操作性强的基于锥形量热试验测定材料阴燃属性及点燃时间的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于锥形量热试验测定材料阴燃属性及点燃时间的方法，具体步骤如下：

(1)准备好锥形量热仪，取两组相同厚度的待测材料备用；

(2)将两组待测材料分别用锥形量热仪采用高低不同的热辐射强度进行试验，其获得的试验参数分别用下标标记为高热辐射强度和低热辐射强度，两组热辐射强度的差值为3～10kW/m²；

(3)试验按照《建筑材料热释放速率试验方法》GB/T16172要求进行；

(4)在锥形量热试验中两组试样观察为无焰燃烧，通过总放热量HRR或THR观察是否有放热现象；无放热现象，则试验终止；

(5)若热释放性THR_{低热辐射强度}＞THR_{高热辐射强度}；且CO释放性TCO_{低热辐射强度}＜TCO_{高热辐射强度}；则所述待测材料具有阴燃属性；

(6)具有阴燃属性的材料根据其HRR-t曲线，确定点燃时间。

作为本发明再进一步的方案：所述点燃时间为启动试验后的HRR-t的拐点对应的时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用锥形量热试验，通过无焰燃烧的高低不同热辐射强度的试验数据，确定材料的阴燃属性和点燃时间具有可实施性和操作性。

附图说明

图1为本发明实施例中25kW/m²热辐射强度下得到的HRR-t曲线图。

图2为本发明实施例中35kW/m²热辐射强度下得到的HRR-t曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1和图2，一种基于锥形量热试验测定材料阴燃属性及点燃时间的方法，具体步骤如下：

(1)准备好锥形量热仪，取两组相同厚度的待测材料备用；

(2)将两组待测材料分别用锥形量热仪采用高低不同的热辐射强度进行试验，其获得的试验参数分别用下标标记为高热辐射强度和低热辐射强度，两组热辐射强度的差值为3～10kW/m²；

(3)试验按照《建筑材料热释放速率试验方法》GB/T16172要求进行；

(4)在锥形量热试验中两组试样观察为无焰燃烧，通过总放热量HRR或THR观察是否有放热现象；无放热现象，则试验终止；

(5)若热释放性THR_{低热辐射强度}＞THR_{高热辐射强度}；且CO释放性TCO_{低热辐射强度}＜TCO_{高热辐射强度}；则所述待测材料具有阴燃属性；

(6)具有阴燃属性的材料根据其HRR曲线，确定点燃时间；确定阴燃属性后，逐步降低锥形量热仪的热辐射强度，能够发生阴燃的最小热辐射强度即为最低阴燃点燃热辐射强度；所述点燃时间为启动试验后的HRR-t的拐点对应的时间。

实施例1

将一种厚度为50mm的两组同质材料分别置于在热辐射强度分别为25KW/m²和35KW/m²的锥形量热仪下进行试验，从热释放速率曲线上均观察到有热释放行为，并观察没有有焰燃烧现象。试验至样品试样无热释放行为止(通过HRR判断)。

经过对对数据处理，出现：

热释放性：THR_25kW/m2＝78kJ/m²＞THR_35kW/m2＝42kJ/m²；

且，CO释放性：TCO_35kW/m2＝20736mg＞TCO_25kW/m2＝17661mg。

判断该处理具有阴燃属性。

25kW/m²、35kW/m²热辐射强度试验得到图1和图2所示的HRR-t曲线(局部放大)，在启动点火装置后HRR至产生明显的热释放有一个拐点，拐点所对应的时间即为阴燃的点燃时间。拐点可以通过切线交叉点的方法获得，如图2。可以一组试样的三个平行试验的平均值作为该试样的点燃时间。由此确定该试样在热辐射强度25kW/m²、35kW/m²热辐射强度时的点燃时间分别为26s和22s。

本发明基于阴燃的三个个本质属性：第一，燃烧为无焰燃烧，即不能观察到火焰(即火苗)；第二，可燃气体的浓度在阴燃条件下不足以形成有焰燃烧而被释放出来，阴燃产生大量的可燃气体；第三，阴燃具有燃烧放热现象。

通过大量的锥形量热试验，本发明发现，除了阴燃无焰燃烧和放热性质外，还有如下事实：由于阴燃不同于其它燃烧为裂解气体的燃烧，低热辐射强度下，固体在高热辐射强度下的裂解程度低，从而有更多的固相物质参入燃烧，当试样完全燃烧时表现出THR_{低热辐射强度}＞THR_{高热辐射强度}；相应地，低的热辐射强度下，物质的一氧化碳释放总量要低于高热辐射强度下的总量，即TCO_{低热辐射强度}＜TCO_{高热辐射强度}。阴燃的上述特征，既不同于非阴燃物质燃烧，也不同于具有阴燃属性的有焰燃烧，具有作为判定阴燃属性充分性。

热辐射强度越高，则可燃物质被点燃时间越短。点燃后的物质开始放热，HRR曲线出现明显的上升，燃烧越剧烈则上升越明显，出现拐点越显著。阴燃属于缓慢的燃烧现象，其被点燃后的HRR上升远不如有焰燃烧明显。大量的锥形量热试验发现，有焰燃烧的点燃时间为试验开始的HRR拐点，因此将阴燃时间也确定为该拐点，既符合点燃的特征，也与其他燃烧点燃时间的确定保持一致。

锥形量热仪(Conecalorimeter，CONE)试验是利用耗氧原理设计的小尺度燃烧试验装置，实现热释放性能、烟气行为和烟气中气体行为多参数、同步分析，是对材料燃烧性能(包括热量、质量、烟气等)进行综合测试的简便方法。锥形量热试验得到如下对火反应主要性能参数。

(1)点火时间(TTI)：给定热辐射强度下，从试样受辐射开始，用标准电火花每隔1s启动点火一次，直到样品点火且形成持续燃烧时的时间，单位为s。

对于有焰燃烧，可以从试验中直接观察到试样的点燃，以此确定试样点火时间。无焰燃烧没有明显的可见光火焰，很难确定点燃时间。确定阴燃是阴燃属性及点燃时间是本发明的内容之一。

(2)热释放速率(HRR)：指材料燃烧时单位面积在单位时间内的热释放量，是表征材料燃烧强度的重要性能参数，单位为kW/m²。锥形量热试验获得热释放速率与时间的关系曲线，即HRR-t曲线，直观显示燃烧过程的放热行为。本发明通过HRR-t确定点燃时间。

(3)总放热量(THR)：指从点燃到熄灭所放热量的总和，即是对HRR积分的结果。总放热量与燃烧程度有关，不同燃烧时间截取的总放热量不同。本发明将试样完全燃烧后的总放热量作为阴燃属性的判据之一。而燃烧完全时样品不再释放热量，可以从HRR中判断。

(4)质量损失速率(MLR)：MLR反应对火反应时样品质量随时间的变化，单位g/s。

(5)烟气分析：常规的锥形量热仪给出烟气中CO和CO₂释放浓度、产率和产量测试结果。产率是指试样损失单位质量所生成的某种气体量。将单位时间的质量损失速率MLR与产生的产率的乘积，即得到单位时间某种气体的产量(如PCO、PCO₂)；产量累计得到气体的总量(如TCO、TCO₂)。本发明将CO的总量作为阴燃属性的判据之一。

一般的锥形量热仪具有0～100kW/m²的热辐射强度调节能力。锥形量热试验的样品尺寸一般为100mm×100mm×厚度，一般样品池的高度允许小于50mm后的试样放入。试验一般以平行三个试样试验为一组。

锥形量热试验方法是《建筑材料热释放速率试验方法》GB/T16172采用的标准方法，该标准等效采用ISO 5660-1标准。

本发明采用的锥形量热仪的热辐射强度可以调整，基于锥形量热试验确定材料的阴燃属性具有可实施性和操作性。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。