常见木质板材燃烧性能研究

摘要：随着我国经济的发展，木质板材因其诸多优点在室内装修装潢和家具的制造过程中得到广泛使用，但这在一定程度上也增大了室内的火災荷载，给建筑物埋下了火灾隐患。因此，正确对常见装修木质板材的燃烧性能进行认识和评价，对于揭示火灾的形成原因有较大的帮助。关键词：木质板材;燃烧性能;烟气产量;火灾危险性随着我国经济的不断发展，人们物质文化生活水平的不断提高，人们对生活、工作、娱乐的环境条件要求也越来越高，几乎所有的建筑都要使用材料装修，木质板材以其淳朴自然、纹理美观、吸音隔热等优点在室内装修装潢和家具的制造过程中得到广泛使用，但这在一定程度上也增大了室内的火灾荷载，给建筑物埋下了火灾隐患[1]。因此。如果能正确对常见装修木质板材的燃烧性能进行认识和评价，对评价某一建筑的火灾危险性和消防安全设计起着十分重要的作用，对于揭示火灾的形成原因有非常大的帮助。文章选取密度板、刨花板、细木工板、五合板及多层板五种板材进行燃烧性能的对比和分析，对常见木质板材的火灾危险性做出评价。一、试验部分（一）试验仪器JCK-2型建材可燃性试验炉，南京市江宁区分析仪器厂;SCY-1型建材烟密度测定仪，南京上元分析仪器有限公司;HC-2CZ氧指数测定仪，南京上元分析仪器有限公司;锥形量热仪，英国FTT公司;多组分烟气分析仪，德国MRUGmbH公司。（二）试验材料及制备1.试验材料以目前家具制作、家居装修使用广泛的密度板、刨花板、细木工板、五合板及多层板为试验材料。2.样品制备试验前，按照国家标准和实际使用需求，将五种板材裁制成标准试样，试样的尺寸见表1。（三）试验方法1.氧指数测定试验方法根据GB/T2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》[2]，测试板材竖直放置在燃烧筒中，选择起始氧浓度，采用顶面点燃法测试材料是否引燃，是否烧至5cm刻度线。根据实际情况调整氧浓度，从而确定材料耗氧量区间。测量五种板材烧至5cm刻度线的持续燃烧时间、氧浓度和烧损长度。2.建筑材料可燃性试验方法根据GB/T8626-2007《建筑材料可燃性试验方法》[3]，在没有外加辐射条件下，用小火焰直接冲击垂直放置的试样以测定建筑制品的可燃性能。该方法是用于评价非特定用途建材燃烧性能等级是否达到B1级、B2级可燃材料的唯一方法。3.建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法根据GB/T8627-2007《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》[4]，测定建筑材料及其制品燃烧时的静态产烟量，烟密度试验方法是用于评判其燃烧性能等级是否达到A级复合材料、B1级难燃材料的试验方法之一。试验的基本原理是通过光学原理测量固定容积空间内，在标准受控条件下试样被点燃时的产烟量。通过测试试验烟箱中光通量的损失来进行烟密度测试。4.烟气成分分析与锥形量热仪联用文章利用小尺寸火灾模拟试验装置，通过联合使用锥形量热仪和多组分烟气分析仪来实现板材燃烧产生烟气的实时检测，对比不同板材燃烧烟气成分的浓度变化情况，研究五种板材的发烟危害性。此试验方法所使用的锥形量热仪是在耗氧量原理的基础上设计的测定材料燃烧性能的小比例（bench-scale）火灾试验装置。锥形量热仪能够很好地反映材料引燃后的燃烧特点及火灾危险性。（四）试验方案1.氧指数试验方案五种板材准备至少15条标准试样，试样在距点燃端50mm处画一标线。开始试验需进行氧浓度的确定，可以根据经验或试样在空气中的燃烧情况，确定开始时的氧浓度。确定好试验开始时的氧浓度之后，将试样固定在玻璃燃烧筒内，按要求调节氧气和氮气的气体流量，使混合气体中的氧浓度为事先确定的氧浓度值。待混合气体流经燃烧筒30s后，可用燃烧器对试样点火。采用顶端点燃法（时间最长不超过30s），试样被点燃后，立即计时，观察试样的燃烧行为和燃烧长度[5]。2.可燃性试验具体试验方案对五合板、细木工板、刨花板、密度板及多层板这五种板材分别采取30s底部边缘点火和30s表面点火两种方式，对于边缘点火的试样，在试样高度150mm处应划一条刻度线，观察试样火焰的垂直传播距离;对于表面点火的试样，分别在试样高度40mm和190mm处各划一条刻度线，观察退火之后燃烧现象并记录火焰垂直传播距离。3.烟密度试验方案将五合板、细木工板、刨花板、密度板及多层板分别制取3个标准试样，试验前将试样置于温度为22℃，相对湿度为45%的环境中状态调节40h以上。校准测烟系统的透光率，将试样水平放置在支架上，用本生灯火焰冲击试样下表面中心位置，在试验过程中，测烟系统动态连续测试试验箱内的透光率数据并实时计算烟密度值，试验时间为4min。4.烟气成分测定试验烟气成分测定试验中，先连接好烟气分析仪部件，将带有气体探头的软管一侧与烟气分析仪对应接口连接，另一侧的气体探头与锥形量热仪的烟气通道连接，通过锥形量热仪模拟火灾场景进行烟气成分分析。观察试样的燃烧行为，并通过录像形式记录烟气数据。通过调整不同瓦数设定不同温度对同种板材烟气产物进行纵向对比，通过更改试样对在相同温度下进行燃烧产生的烟气进行横向对比。二、试验结果分析与讨论（一）氧指数试验结果分析与讨论在试验操作过程中，对五种板材进行30s顶端点火。试样燃烧初期，火焰蔓延速度较小，不同板材燃烧速度增大时间点有所差异，所需氧浓度有所不同[6]，但五种板材燃烧产烟量都较小，火焰熄灭后，仍可继续进行炭化，且表面温度高，散热慢。刨花板所需氧浓度为最大，为36.5%～37%，引燃后2～3min燃烧程度扩大，燃烧速度快，有絮状物产生，板材自熄后，顶端仍有余热且温度很高，会继续进行炭化;多层板在燃烧时所需氧浓度为28%～29%，点燃时间为15s，多数试样在90s时燃烧程度达到最大，烟气向下呈瀑布状蔓延;五合板厚度较薄，引燃时间短，但氧浓度并非最小;密度板燃烧过程较为平稳，也并未出现其他木材燃烧出现的山字痕迹，水平蔓延速度与垂直蔓延速度较为一致，密度板蓄热能力较强，火焰熄灭后，燃烧中心温度为600℃，足以引燃板材周围的可燃物;细木工板属于混合型压制板材，由试验可发现，细木工板所需氧浓度最小，燃烧速度最快。根据GB/T2406《塑料燃烧性能试验方法氧指数法》中氧指数（OI）计算公式：OI=Cf+Kd（Cf是指NT系列最后一个氧浓度，取一位小数，d是指使用和控制的两个氧浓度之差），可得知材料的氧指数，氧指数≧32%属于B1级，氧指数≧26%属于B2级。试验结果见表2。试验结果表明五种板材中细木工板氧指数最低，采用顶端点燃法最易引燃，刨花板氧指数最高，燃烧所需氧浓度最大。细木工板燃烧所需氧浓度最低，这取决于细木工板的结构特点，细木工板是由两片单板中间胶压拼接木板而成，将木条镶入夹板中，木条由于受到挤压力较小，拼接不均匀，缝隙较大，氧气易进入其中支持燃烧，导致细木工板燃烧所需氧浓度最小，火灾危险性较大。刨花板是由木材或其他木质纤维素材料制成的碎料，施加胶粘剂在热力和压力作用下胶合成的人造板，刨花板结构比较均匀，壓制时压力大，碎料之间缝隙小，氧气不易进入板材，无法支持燃烧。在火灾现场细木工板制品可能最先起火。在实际应用中还是存在一些误差，误差的来源主要是点火位置的偏差、放置角度的偏差以及火焰强度与木材截取时断面的差异[7]。（二）可燃性试验结果分析与讨论试验发现所选取的五种板材采取表面点火的方式均不能引燃，底部边缘点火引燃后，除五合板有少许滴落灰烬外，其余四种板材燃烧均无滴落物。五合板最易被点燃且点燃之后持续燃烧时间较长，五合板是五种板材中唯一能烧至15cm刻度线的板材。五合板最易引燃且火焰传播速度最快，多层板引燃时间短，但自熄最快。五种板材在标准氧浓度下，在点火时间为30s的情况下，均符合GB/T8626-2007《建筑材料可燃性试验方法》中60s内焰尖高度Fs≦150mm的B级燃烧等级标准。相比较下五合板最易引燃且火焰传播速度最快，具有较大的火灾危险性。由图1观察可以发现，五合板燃烧较为剧烈，由于五合板属于片层结构，燃烧后火焰蔓延速度快，火势发展快，火灾危险性较大，三个试样均烧至15cm刻度线，且烧过标线继续燃烧，燃烧随着时间的增加有增长趋势，烟熏痕迹明显且局部烧失，炭化裂纹明显，燃烧过火面积较大。由图2观察可发现密度板燃烧主要集中在点火位置附近，底部燃烧明显，燃烧时间短较为迅速，燃烧图痕呈“倒V型”，由于密度板是以木质纤维或其他植物纤维为原料，施加脲醛树脂或胶粘剂经过热压而成，材质均匀，板层结构紧实，性能较为稳定，燃烧蔓延扩散不明显，底部炭化明显，上部有少许烟熏痕迹，烟痕面积较小。由图3可知，细木工板燃烧结果具有一定的偶然性，细木工板是由两片单板中间胶压拼接木板而成，将木条镶入夹板中，木条由于受到挤压力较小，拼接不均匀，点火位置对板材燃烧具有较大的影响，当点火位置较靠后时，细木工板背部被引燃且燃烧较前部更为剧烈。在正常点火位置引燃后，燃烧较为缓慢，燃烧面积较小，细木工板本身较难燃烧，纵向燃烧速度快，呈柱状燃烧图痕。由图4可观察多层板可燃性燃烧痕迹，多层板与五合板同属胶合板系列，都为片层结构，制作工艺相似，燃烧特点与五合板有相同之处，但多层板厚度比五合板厚，多层板与细木工板厚度相同，但燃烧比细木工板剧烈，燃烧时间长，底部炭化明显，燃烧呈“倒V型”图痕，烟熏高度到达试样1/2处，燃烧面积较大，烟熏痕迹明显。刨花板燃烧痕迹如图5所示，试验中刨花板燃烧时烟气产量较大，且表面漆层燃烧产生刺激性气体，底部燃烧明显，刨花板是由木材或其他木质纤维素材料制成的碎料，施加胶粘剂在热力和压力作用下胶合成的人造板，结构比较均匀，压制时压力大，碎料之间缝隙小，但碎料本身具有较大的可燃性，饰面层为漆料，燃烧性能与木质碎料不同，竖直方向燃烧程度比横向燃烧程度大，燃烧约持续200s后自熄。（三）烟密度分析试验结果分析与讨论通过试验现象，可以观察到在燃烧初期，木质板材产烟量较小，随着燃烧时间的增长，产烟量也随之升高[8]。由表3可知，五合板、细木工板、多层板、密度板和刨花板的光吸收率最大值即最大烟密度值（MSD）分别为48.5、54.9、90.1、82.0、84.4，则根据烟密度等级（SDR）公式[9]：SDR=100*（a1+a2+…+a15+a16/2）/16（其中a1、a2、a3……是指每隔15s三个试件平均烟密度的百分比）可知五合板烟密度等级为1604.53;细木工板板烟密度等级为1699.38;多层板烟密度等级为3196.19;密度板烟密度等级为3121.69;刨花板烟密度等级为3031.13。由图6可看到五种板材中，刨花板和多层板烟产量较大，多层板前期燃烧产生烟气速率大于刨花板同期速率，但刨花板后期燃烧产生烟气量是五种板材中最大。（四）烟产物分析试验的结果与分析如图7、图8由于不同板材样品成分不同，所以燃烧生成气体浓度峰值差异较大，出现峰值时间点差异较大，但从开始燃烧至毒性气体浓度达到峰值所需的燃烧时间，可以分析出材料燃烧危害性的相对大小。五合板开始燃烧后250s内有害气体浓度达到极值，多层板需要600s，密度板需要2000s，刨花板需要100s，细木工板需要800s，刨花板燃烧前期CO产量较其他四种板材较大，细木工板CO产量最大，NO产率最大。三、结语文章选取密度板、刨花板、细木工板、五合板及多层板为研究对象，通过氧指数测定试验、可燃性试验、烟密度分析试验、烟产物分析试验对比分析其燃烧性能，主要结论如下：（1）五种板材的氧指数大小：刨花板>密度板>五合板>多层板>细木工板。（2）在室内标准氧浓度下，五种板材在退火后60s内焰尖高度Fs≦150mm，五种板材可燃