本發(fā)明涉及一種確定材料燃燒屬性的方法，具體是一種基于錐形量熱試驗(yàn)測(cè)定材料陰燃屬性及點(diǎn)燃時(shí)間的方法。

背景技術(shù)：

固體物質(zhì)燃燒可分為有焰燃燒(明燃)、無焰燃燒和陰燃。固體的有焰燃燒是固體物質(zhì)裂解的可燃?xì)怏w在固體表面燃燒而形成的可見光(火苗)的燃燒現(xiàn)象。所謂“陰燃”是沒有火焰的緩慢燃燒現(xiàn)象，是固體燃燒的一種形式。陰燃與有焰燃燒的區(qū)別是陰燃不產(chǎn)生明顯的可見光的燃燒；陰燃與無焰燃燒的區(qū)別是陰燃能熱分解出可燃?xì)怏w，因此在一定條件下陰燃可以轉(zhuǎn)換成有焰燃燒。

陰燃反應(yīng)機(jī)理通常分為兩部分：一是無氧熱解反應(yīng)，通過吸熱裂解釋放可燃?xì)怏w；二是有氧熱解反應(yīng)，通過放熱來提供陰燃所需的能量。陰燃是發(fā)生在固體燃料及其表面氣體氧化劑之間的放熱燃燒反應(yīng)。陰燃反應(yīng)是以一定速率由表及里傳播過程，其傳播速度取決于氧氣擴(kuò)散進(jìn)入材料的速度，也取決于材料的滲透性。

陰燃是固體燃燒的現(xiàn)象之一，具有一般燃燒過程所具有的特點(diǎn)，如自維持、放熱、氧化反應(yīng)、熱解反應(yīng)等。發(fā)生陰燃的材料具有多孔松散材質(zhì)特點(diǎn)，如棉花、木炭、香煙等等。利用陰燃特性，人們進(jìn)行了有益的運(yùn)用，例如蚊香、取暖木炭等。但是，陰燃造成的火災(zāi)具有極大的危險(xiǎn)性，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。(1)陰燃屬于無焰燃燒，不會(huì)表現(xiàn)出有焰燃燒產(chǎn)生的火光和濃煙。因此，陰燃不易覺察，具有極大潛伏燃燒和蔓延特性。(2)陰燃會(huì)熱解出大量可燃?xì)怏w，這些可燃?xì)怏w的濃度在陰燃條件下不足以燃燒而被釋放出來，其中的一氧化碳具有不易覺察的毒性。一氧化碳對(duì)全身的組織細(xì)胞均有毒性作用，對(duì)大腦皮質(zhì)作用最為嚴(yán)重，麻痹的大腦皮質(zhì)使人無法實(shí)現(xiàn)有目的的自主運(yùn)動(dòng)，手腳已不聽使喚，無法進(jìn)行有效的自救。(3)陰燃具有燃燒緩慢、長(zhǎng)期自維持。一些森林火災(zāi)的殘余木炭的燃燒可以持續(xù)幾天。(4)陰燃可以轉(zhuǎn)化成明燃，也可以點(diǎn)燃其他燃燒物質(zhì)，形成更大形式的燃燒和火災(zāi)。陰燃形式的煙頭點(diǎn)燃棉織品，燃燒由陰燃的棉織品引起劇烈的火災(zāi)。這一類型的火災(zāi)屢見報(bào)道。

并非所有的擴(kuò)孔松散材料都具有陰燃屬性，因此判斷一種材料是否具有陰燃屬性，對(duì)于減災(zāi)防災(zāi)、消防策略具有重要的實(shí)際意義。

一種材料能否陰燃有兩個(gè)基本判據(jù)：一個(gè)是它必定是疏松的，第二是在高溫?zé)岱纸鈺r(shí)必然產(chǎn)生炭化。因此，熱固性材料均具有陰燃的可能性。并非所有的無焰燃燒均屬于陰燃，是否陰燃需要試驗(yàn)方法測(cè)試確定。

《建筑外墻外保溫系統(tǒng)的防火性能試驗(yàn)方法》GB/T29416中提出了對(duì)材料陰燃特性的試驗(yàn)方法。將100mm的立方材料試樣中心插入熱電偶，置于到有通風(fēng)裝置的加熱爐中，升溫至400℃，并維持溫度該溫度24小時(shí)，通過爐溫曲線和試樣內(nèi)部的溫度曲線判斷材料的陰燃傾向。但是，該方法僅作為陰燃傾向，即陰燃的可能性大小，而不能直接作為材料具有陰燃屬性的判斷方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可實(shí)施性和操作性強(qiáng)的基于錐形量熱試驗(yàn)測(cè)定材料陰燃屬性及點(diǎn)燃時(shí)間的方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于錐形量熱試驗(yàn)測(cè)定材料陰燃屬性及點(diǎn)燃時(shí)間的方法，具體步驟如下：

(1)準(zhǔn)備好錐形量熱儀，取兩組相同厚度的待測(cè)材料備用；

(2)將兩組待測(cè)材料分別用錐形量熱儀采用高低不同的熱輻射強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，其獲得的試驗(yàn)參數(shù)分別用下標(biāo)標(biāo)記為高熱輻射強(qiáng)度和低熱輻射強(qiáng)度，兩組熱輻射強(qiáng)度的差值為3～10kW/m²；

(3)試驗(yàn)按照《建筑材料熱釋放速率試驗(yàn)方法》GB/T16172要求進(jìn)行；

(4)在錐形量熱試驗(yàn)中兩組試樣觀察為無焰燃燒，通過總放熱量HRR或THR觀察是否有放熱現(xiàn)象；無放熱現(xiàn)象，則試驗(yàn)終止；

(5)若熱釋放性THR_{低熱輻射強(qiáng)度}＞THR_{高熱輻射強(qiáng)度}；且CO釋放性TCO_{低熱輻射強(qiáng)度}＜TCO_{高熱輻射強(qiáng)度}；則所述待測(cè)材料具有陰燃屬性；

(6)具有陰燃屬性的材料根據(jù)其HRR-t曲線，確定點(diǎn)燃時(shí)間。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述點(diǎn)燃時(shí)間為啟動(dòng)試驗(yàn)后的HRR-t的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明利用錐形量熱試驗(yàn)，通過無焰燃燒的高低不同熱輻射強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定材料的陰燃屬性和點(diǎn)燃時(shí)間具有可實(shí)施性和操作性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中25kW/m²熱輻射強(qiáng)度下得到的HRR-t曲線圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中35kW/m²熱輻射強(qiáng)度下得到的HRR-t曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本專利的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。

請(qǐng)參閱圖1和圖2，一種基于錐形量熱試驗(yàn)測(cè)定材料陰燃屬性及點(diǎn)燃時(shí)間的方法，具體步驟如下：

(1)準(zhǔn)備好錐形量熱儀，取兩組相同厚度的待測(cè)材料備用；

(2)將兩組待測(cè)材料分別用錐形量熱儀采用高低不同的熱輻射強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，其獲得的試驗(yàn)參數(shù)分別用下標(biāo)標(biāo)記為高熱輻射強(qiáng)度和低熱輻射強(qiáng)度，兩組熱輻射強(qiáng)度的差值為3～10kW/m²；

(3)試驗(yàn)按照《建筑材料熱釋放速率試驗(yàn)方法》GB/T16172要求進(jìn)行；

(4)在錐形量熱試驗(yàn)中兩組試樣觀察為無焰燃燒，通過總放熱量HRR或THR觀察是否有放熱現(xiàn)象；無放熱現(xiàn)象，則試驗(yàn)終止；

(5)若熱釋放性THR_{低熱輻射強(qiáng)度}＞THR_{高熱輻射強(qiáng)度}；且CO釋放性TCO_{低熱輻射強(qiáng)度}＜TCO_{高熱輻射強(qiáng)度}；則所述待測(cè)材料具有陰燃屬性；

(6)具有陰燃屬性的材料根據(jù)其HRR曲線，確定點(diǎn)燃時(shí)間；確定陰燃屬性后，逐步降低錐形量熱儀的熱輻射強(qiáng)度，能夠發(fā)生陰燃的最小熱輻射強(qiáng)度即為最低陰燃點(diǎn)燃熱輻射強(qiáng)度；所述點(diǎn)燃時(shí)間為啟動(dòng)試驗(yàn)后的HRR-t的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

實(shí)施例1

將一種厚度為50mm的兩組同質(zhì)材料分別置于在熱輻射強(qiáng)度分別為25KW/m²和35KW/m²的錐形量熱儀下進(jìn)行試驗(yàn)，從熱釋放速率曲線上均觀察到有熱釋放行為，并觀察沒有有焰燃燒現(xiàn)象。試驗(yàn)至樣品試樣無熱釋放行為止(通過HRR判斷)。

經(jīng)過對(duì)對(duì)數(shù)據(jù)處理，出現(xiàn)：

熱釋放性：THR_25kW/m2＝78kJ/m²＞THR_35kW/m2＝42kJ/m²；

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

判斷該處理具有陰燃屬性。

25kW/m²、35kW/m²熱輻射強(qiáng)度試驗(yàn)得到圖1和圖2所示的HRR-t曲線(局部放大)，在啟動(dòng)點(diǎn)火裝置后HRR至產(chǎn)生明顯的熱釋放有一個(gè)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為陰燃的點(diǎn)燃時(shí)間。拐點(diǎn)可以通過切線交叉點(diǎn)的方法獲得，如圖2?？梢砸唤M試樣的三個(gè)平行試驗(yàn)的平均值作為該試樣的點(diǎn)燃時(shí)間。由此確定該試樣在熱輻射強(qiáng)度25kW/m²、35kW/m²熱輻射強(qiáng)度時(shí)的點(diǎn)燃時(shí)間分別為26s和22s。

本發(fā)明基于陰燃的三個(gè)個(gè)本質(zhì)屬性：第一，燃燒為無焰燃燒，即不能觀察到火焰(即火苗)；第二，可燃?xì)怏w的濃度在陰燃條件下不足以形成有焰燃燒而被釋放出來，陰燃產(chǎn)生大量的可燃?xì)怏w；第三，陰燃具有燃燒放熱現(xiàn)象。

通過大量的錐形量熱試驗(yàn)，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，除了陰燃無焰燃燒和放熱性質(zhì)外，還有如下事實(shí)：由于陰燃不同于其它燃燒為裂解氣體的燃燒，低熱輻射強(qiáng)度下，固體在高熱輻射強(qiáng)度下的裂解程度低，從而有更多的固相物質(zhì)參入燃燒，當(dāng)試樣完全燃燒時(shí)表現(xiàn)出THR_{低熱輻射強(qiáng)度}＞THR_{高熱輻射強(qiáng)度}；相應(yīng)地，低的熱輻射強(qiáng)度下，物質(zhì)的一氧化碳釋放總量要低于高熱輻射強(qiáng)度下的總量，即TCO_{低熱輻射強(qiáng)度}＜TCO_{高熱輻射強(qiáng)度}。陰燃的上述特征，既不同于非陰燃物質(zhì)燃燒，也不同于具有陰燃屬性的有焰燃燒，具有作為判定陰燃屬性充分性。

熱輻射強(qiáng)度越高，則可燃物質(zhì)被點(diǎn)燃時(shí)間越短。點(diǎn)燃后的物質(zhì)開始放熱，HRR曲線出現(xiàn)明顯的上升，燃燒越劇烈則上升越明顯，出現(xiàn)拐點(diǎn)越顯著。陰燃屬于緩慢的燃燒現(xiàn)象，其被點(diǎn)燃后的HRR上升遠(yuǎn)不如有焰燃燒明顯。大量的錐形量熱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有焰燃燒的點(diǎn)燃時(shí)間為試驗(yàn)開始的HRR拐點(diǎn)，因此將陰燃時(shí)間也確定為該拐點(diǎn)，既符合點(diǎn)燃的特征，也與其他燃燒點(diǎn)燃時(shí)間的確定保持一致。

錐形量熱儀(Conecalorimeter，CONE)試驗(yàn)是利用耗氧原理設(shè)計(jì)的小尺度燃燒試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)熱釋放性能、煙氣行為和煙氣中氣體行為多參數(shù)、同步分析，是對(duì)材料燃燒性能(包括熱量、質(zhì)量、煙氣等)進(jìn)行綜合測(cè)試的簡(jiǎn)便方法。錐形量熱試驗(yàn)得到如下對(duì)火反應(yīng)主要性能參數(shù)。

(1)點(diǎn)火時(shí)間(TTI)：給定熱輻射強(qiáng)度下，從試樣受輻射開始，用標(biāo)準(zhǔn)電火花每隔1s啟動(dòng)點(diǎn)火一次，直到樣品點(diǎn)火且形成持續(xù)燃燒時(shí)的時(shí)間，單位為s。

對(duì)于有焰燃燒，可以從試驗(yàn)中直接觀察到試樣的點(diǎn)燃，以此確定試樣點(diǎn)火時(shí)間。無焰燃燒沒有明顯的可見光火焰，很難確定點(diǎn)燃時(shí)間。確定陰燃是陰燃屬性及點(diǎn)燃時(shí)間是本發(fā)明的內(nèi)容之一。

(2)熱釋放速率(HRR)：指材料燃燒時(shí)單位面積在單位時(shí)間內(nèi)的熱釋放量，是表征材料燃燒強(qiáng)度的重要性能參數(shù)，單位為kW/m²。錐形量熱試驗(yàn)獲得熱釋放速率與時(shí)間的關(guān)系曲線，即HRR-t曲線，直觀顯示燃燒過程的放熱行為。本發(fā)明通過HRR-t確定點(diǎn)燃時(shí)間。

(3)總放熱量(THR)：指從點(diǎn)燃到熄滅所放熱量的總和，即是對(duì)HRR積分的結(jié)果?？偡艧崃颗c燃燒程度有關(guān)，不同燃燒時(shí)間截取的總放熱量不同。本發(fā)明將試樣完全燃燒后的總放熱量作為陰燃屬性的判據(jù)之一。而燃燒完全時(shí)樣品不再釋放熱量，可以從HRR中判斷。

(4)質(zhì)量損失速率(MLR)：MLR反應(yīng)對(duì)火反應(yīng)時(shí)樣品質(zhì)量隨時(shí)間的變化，單位g/s。

(5)煙氣分析：常規(guī)的錐形量熱儀給出煙氣中CO和CO₂釋放濃度、產(chǎn)率和產(chǎn)量測(cè)試結(jié)果。產(chǎn)率是指試樣損失單位質(zhì)量所生成的某種氣體量。將單位時(shí)間的質(zhì)量損失速率MLR與產(chǎn)生的產(chǎn)率的乘積，即得到單位時(shí)間某種氣體的產(chǎn)量(如PCO、PCO₂)；產(chǎn)量累計(jì)得到氣體的總量(如TCO、TCO₂)。本發(fā)明將CO的總量作為陰燃屬性的判據(jù)之一。

一般的錐形量熱儀具有0～100kW/m²的熱輻射強(qiáng)度調(diào)節(jié)能力。錐形量熱試驗(yàn)的樣品尺寸一般為100mm×100mm×厚度，一般樣品池的高度允許小于50mm后的試樣放入。試驗(yàn)一般以平行三個(gè)試樣試驗(yàn)為一組。

錐形量熱試驗(yàn)方法是《建筑材料熱釋放速率試驗(yàn)方法》GB/T16172采用的標(biāo)準(zhǔn)方法，該標(biāo)準(zhǔn)等效采用ISO 5660-1標(biāo)準(zhǔn)。

本發(fā)明采用的錐形量熱儀的熱輻射強(qiáng)度可以調(diào)整，基于錐形量熱試驗(yàn)確定材料的陰燃屬性具有可實(shí)施性和操作性。

上面對(duì)本專利的較佳實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本專利并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下作出各種變化。