基于锥形量热仪的几种防火布燃烧性能研究
生产车间的消防设备设施，除了设置消防灭火系统和消防水炮等主动灭火装置外，很多企业会在电缆或者贵重高危机器处设置防火布作为被动防火系统，来保护电缆或者消防安全要求较高的部位。
防火布主要由阻燃材料和普通布料混合压制而成，覆盖或者包裹在车间可燃物的表面，前人对防火布的组成成分石棉、陶瓷纤维、硅胶等进行过热分析，李治等[1]以二氧化硅气凝胶为例，研究了硅胶的点燃和氧化性质，对硅胶在不同功率下的热解特性进行了阐述，然而，防火布具有一定的火灾危险性，在高温下也会热解产生可燃气体，不同类型的防火布火灾危险性也不一样。目前对于常用防火布材料的热危险性缺乏系统的对比分析，且缺乏防火布材料在火灾中的热释放速率、CO释放速率、烟释放速率等方面的研究。本文利用锥形量热仪，选取五种常用的防火布，模拟不同规模火灾，研究防火布的防火性能，对控制火灾事故的发生和防火布材料的选材和应用具有一定指导意义。
1 实验材料与方法
1.1 实验样品
实验样品为某公司生产的五种防火布材料，分别包括石棉纤维防火布、陶瓷纤维防火布、硅胶防火布、涂胶防火布、碳素纤维防火布。本文研究对象为厚度1 mm的五种防火布材料。实验样品在约23 ℃的环境温度下晾干40 min以上。称量出裁剪好100 mm×100 mm晾干后的新鲜样品，均匀放置在表面尺寸100 mm×100 mm的样品盒中。选取的材料如表1所示。
1.2 实验装置
采用锥形量热仪(CONE)研究不同材料防火布的燃烧特性，实验装置如图1所示。锥形量热仪的辐射强度分别为25 kW/m2、30 kW/m2、35 kW/m2、40 kW/m2和45 kW/m2。在样品盒底部垫石棉层将样品的厚度控制在10 mm，石棉层的上面垫有锡箔纸，可以保证边缘效应最小化，同时也便于保存最后的残留物[2]。
2 实验结果讨论
以陶瓷纤维防火布为例，每个辐射强度进行三次重复试验，实验重复性良好，根据三次重复实验选平均值计算，点燃、熄灭时间如表2所示。
样品受外界辐射热流的作用，温度上升到热解条件并释放出可燃气体，当热解气体浓度达到一定程度后样品将被点燃。在这个过程中可燃气体的生成、点燃以及热释放速率受到材料的组成及性质的影响。以下对这五种常见的防火布的火灾危险性进行分析与讨论，并对点燃时间、热释放速率进行对比。
2.1 热释放速率
热释放速率(HRR)为单位时间单位面积材料燃烧释放热量的速率。锥形量热仪可测出材料燃烧过程中HRR随时间的变化，反映实时的HRR值，HRR的最大值为热释放速率的峰值PHRR。在缩小比例的火灾实验中，热释放速率高并且点燃时间短的材料的火灾危险性相对较大[3, 4]。
表3列出了五种防火布样品在不同辐射强度下的热释放速率的峰值和均值。
五种材料样品在不同辐射强度下的热释放速率如图2所示，每种材料的热释放速率随着辐射强度的增大而增大，对于同一种材料，辐射强度增大时，热释放速率的峰值变大，且热释放速率曲线出现峰值的时间比低辐射强度的时间早。
陶瓷纤维防火布、硅胶防火布和碳素纤维防火布材料的热释放速率的规律体现的比较一致，辐射强度增大时，点燃时间变短，热释放速率的峰值变大。
石棉纤维防火布与涂胶防火布样品，35 kW/m2辐射强度的时候热释放速率的峰值最大，分析是由于石棉纤维防火布和涂胶防火布样品表面孔隙较大；辐射强度小于35 kW/m2时，热解较慢，可燃气体浓度较低；而辐射强度大于35 kW/m2时，热解较快，热解气体逸散，由于材料中可燃成分有限，浓度维持在较低的水平。
五种材料样品在35 kW/m2辐射强度工况下的热释放速率如图3所示，碳素纤维防火布的热释放速率最大为202.21 kW/m2，其次是涂胶防火布为131.01 kW/m2，这两种材料的热释放速率的峰值都超过100 kW/m2，另外三种材料热释放速率峰值均小于100 kW/m2，陶瓷纤维防火布的热释放速率峰值为73.59 kW/m2，硅胶防火布的热释放速率峰值为36.37 kW/m2，石棉纤维防火布热释放速率的峰值为54.59 kW/m2。两种耐高温防火布中，石棉纤维防火布样品热释放速率峰值较小，防水的防火布中，硅胶防火布热释放速率峰值较小。从热释放速率的角度分析，石棉纤维防火布样品的危害性比较小。
2.2 失重速率
35 kW/m2辐射强度下不同材料的失重曲线如图4所示，石棉纤维和陶瓷纤维防火布，失重速率曲线变化分为两个阶段，第一阶段失重快，主要是挥发物的逸失，第二阶段是燃烧后期的灰化阶段；石棉纤维样品、涂胶样品以及碳素纤维样品的失重速率变化趋势比较一致，陶瓷纤维样品和硅胶样品的失重变化要缓慢一些[5]。
选取陶瓷纤维防火布样品，在不同辐射强度下观察失重曲线的变化，图5可以看出，在不同辐射强度下的失重速率变化比较一致，辐射强度从25 kW/m2增大到45 kW/m2的时候，失重曲线斜率变大，失重加快。
2.3 有效燃烧热
有效燃烧热(EHC)是指单位质量的材料燃烧释放的实际热量[6]。EHC随着外加辐射通量的变化而变化，可以通过瞬时的热释放速率(HRR)和质量损失速率(MLR)计算得到[7]：
在35 kW/m2辐射强度下，各个材料的EHC随时间的变化如图6所示，碳素纤维防火布样品的燃烧热较大，最大峰值达到529.52 kJ/g，石棉纤维防火布样品的EHC峰值为140.57 kJ/g，陶瓷纤维防火布样品的EHC峰值为220.71 kJ/g，硅胶防火布样品的EHC峰值为323.60 kJ/g，涂胶防火布样品的EHC峰值为128.01 kJ/g。
图6表示的有效燃烧热曲线前一段是材料受热阶段，水分蒸发、表面物质挥发、可燃气体的释放，材料热解，当热解气体浓度和温度达到一定程度，材料引燃后，热释放速率迅速增加，图6中碳素纤维防火布样品和涂胶防火布样品出现陡峰是高温分解物燃烧，导致热释放速率猛增，燃烧热也增大。碳素纤维防火布的有效燃烧热峰值最大，说明材料中可燃气体燃烧最充分，这与其样品材料构成有关系，碳素纤维防火布样品中可燃物所占的比重多。石棉纤维防火布和陶瓷纤维防火布样品的有效燃烧热曲线大致相同，硅胶防火布与涂胶防火布到达峰值的时间都在80 s左右。石棉纤维防火布材料的有效燃烧热曲线峰值最低。石棉纤维基本成分为水合硅酸镁(3MgO·3SiO2·2H2O)，陶瓷纤维主要成分为Al2O3，硅胶主要成分为mSiO2·nH2O，涂胶防火布主要成分为聚乙烯醇等，碳素纤维主要成分为聚丙烯腈，不同组分热稳定性有很大差异，造成了出峰时间的不同。
2.4 点燃性能
点燃时间TTI(Time To Ignition)是描述材料表面在一定辐射强度下从开始受到辐射到发生燃烧所用时间的一个参数[8]。点燃时间长的材料越难被点燃，耐火性能好。表4为几种材料的点火时间。
由表4和图7可以看出，五种材料表现出来的普遍规律为随着辐射强度的增强点燃时间在变短；在25 kW/m2时，所选防火布材料的点燃时间由长到短分别为：硅胶防火布>陶瓷纤维防火布>涂胶防火布>碳素纤维防火布>石棉纤维防火布；随着点火源功率的增加，两种样品材料的点燃时间在不断缩减，整体变化趋势相一致。当在较低点燃功率下，不同材料点燃时间差距较大；随着点燃功率增加，不同材料之间的点燃时间差距越来越小。
通过回归方程可以估算每种材料的最小点燃辐射强度，得出石棉纤维样品最小点燃辐射强度为11.10 kW/m2，陶瓷纤维样品最小点燃辐射强度为20.23 kW/m2，硅胶样品的最小点燃辐射强度为15.46 kW/m2，涂胶样品的最小点燃辐射强度为14.09 kW/m2，碳素纤维样品的最小点燃辐射强度为0.12 kW/m2。这个结果对于预测火灾危险性以及考察防火布材料能够提供指导性的建议。
火发生指数FPI表示火险程度，是着火感应时间(TTI)与热释放速率峰值(RHRpeak)的比值[10, 11]，选取35 kW/m2辐射强度的各个材料的热释放速率峰值，计算每种材料在35 kW/m2辐射强度下的火险程度，如表5所示。
FPI值越大，材料的防火能力越强，在耐高温的两种防火布材料中，1 mm石棉纤维防火布FPI值最大，为0.40，防火能力最强；在防水的两种防火布材料中，1 mm硅胶防火布的FPI值为0.87，最大，防火能力最强；1 mm碳素纤维防火布的FPI值为0.05，这个值非常小，可以预见，防火能力比较弱。
3 结论
本文以五种不同材料防火布：石棉纤维防火布、陶瓷纤维防火布、硅胶防火布、涂胶防火布和碳素纤维防火布为研究对象，通过锥形量热仪实验，分析比较其燃烧性能，结论如下：
(1)所选五种防火布材料在受热辐射时均可被点燃，随着辐射强度的增强，五种材料点燃时间在变短，点燃时间的均方根倒数与辐射强度之间呈现线性关系，在35 kW/m2时，所选防火布材料的点燃时间由长到短为：硅胶防火布>陶瓷纤维防火布>涂胶防火布>碳素纤维防火布>石棉纤维防火布。
(2)五种材料的热释放速率随着辐射强度的增大而增大；同种材料，辐射强度增大时，热释放速率的峰值变大，且热释放速率曲线出现峰值的时间比低辐射强度的时间快。比较35 kW/m2辐射强度工况下的热释放速率，碳素纤维防火布的热释放速率最大，可达202.21 kW/m2，有效燃烧热的峰值也最大，达到529.52 kJ/g。
(3)在两种耐高温防火布材料中，石棉纤维防火布FPI值最大，防火能力最强；在防水的两种防火布材料中，硅胶防火布防火能力最强；碳素纤维防火布防火能力最弱。综合对比五种防火布的防火能力，强弱顺序为硅胶防火布>石棉纤维防火布>陶瓷纤维防火布>碳素纤维防火布>涂胶防火布。
