2.2.6　環(huán)氧樹脂煙氣釋放性能測試方法

影響高聚物在燃燒過程中煙氣生成的因素有多種，包括火災(zāi)規(guī)模、單位質(zhì)量物質(zhì)的生煙量、通風(fēng)情況、火災(zāi)傳播速率和燃燒溫度等，其中有些因素不僅影響生煙量，還影響所生成煙氣的特征。火災(zāi)中煙氣的形成是不可重現(xiàn)的過程，從定量角度描述煙氣釋放過程比較困難。從實(shí)施技術(shù)角度考慮，高聚物材料的生煙性測定可分為兩大類：①專門用于測定生煙性的儀器；②多功能性儀器測定生煙性，一般與其他阻燃性能同時(shí)測定。

測定高聚物生煙性的最好方法是基于人眼對煙的感知和煙對可見度的影響。目前已開發(fā)出多種測定材料生煙性的方法，其中最簡單的方法為質(zhì)量法測定材料的生煙量，即將煙質(zhì)點(diǎn)收集于濾紙或其他介質(zhì)的表面，再稱量其質(zhì)量，從而估測材料燃燒時(shí)的生煙量。電學(xué)法可以用于測定材料燃燒的煙密度，其原理是基于電離室中電荷的生成量去測定生煙量。最常用的測試煙氣生成的方法是光學(xué)法。光學(xué)法測定煙氣生成量是在一規(guī)定空間內(nèi)模型火實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步測定生成的煙對光束的衰減作用，從而計(jì)算得到煙密度，如NBS煙箱和XP2煙箱等。目前市場上已有可用于測定煙密度的光度計(jì)產(chǎn)品，其光敏元件的波長范圍與人類可視波的波長范圍相同，根據(jù)其結(jié)果人們可選用生煙量較低的材料，為提升防火安全水平提供有用信息。在材料的生煙性能測試中，定量表征材料在火災(zāi)過程中的生煙信息比較困難。為了得到材料生煙的確定信息，必須避免不確定的變量，因此測定材料的生煙性能必須在標(biāo)準(zhǔn)條件下測量以得到可重復(fù)性的結(jié)果，也就是在所規(guī)定的條件下可比較不同材料的生煙性。實(shí)驗(yàn)室結(jié)果可有效地對材料在實(shí)際火災(zāi)中的生煙行為進(jìn)行預(yù)測。通常情況下測定材料煙密度的方法為光學(xué)方法，下面對光學(xué)方法的基本原理進(jìn)行介紹。

當(dāng)光線通過一個(gè)充滿煙的空間時(shí)，煙質(zhì)點(diǎn)能夠?qū)νㄟ^的光起到吸收和散射作用而使光強(qiáng)降低。光衰減程度與煙質(zhì)點(diǎn)的大小、形狀、折射率、光的波長和入射角有關(guān)。可簡化為Beer-Lambert定律：

F=F₀e^-σL　　

式中，F為由于煙層而引起衰減后的光通量；F₀為起始光通量；σ為衰減系數(shù)；L為通煙的光徑長。

衰減系數(shù)可用下式表示：

σ=Kπr²n　　

式中，K為比例消光系數(shù)；r為煙質(zhì)點(diǎn)的半徑；n為單位體積內(nèi)質(zhì)點(diǎn)數(shù)。

光密度可由Beer-Lambert定律衍生得到：

基本上現(xiàn)在所有的以光學(xué)法測定煙密度的儀器都是基于Beer-Lambert定律。測定生煙性時(shí)，試件在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)受熱分解或燃燒，試驗(yàn)設(shè)備包括兩部分：①材料分解系統(tǒng)；②測定系統(tǒng)。材料分解生成的煙氣穿過測試室，該室配有光源、光敏元件和其他附件，通過一系列光電轉(zhuǎn)換作用可測得光經(jīng)煙氣衰減后的透射率，進(jìn)一步計(jì)算得到煙密度。

光學(xué)法測定煙密度可采用靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法，靜態(tài)法是讓材料燃燒所生成的煙氣全部處于一個(gè)密閉系統(tǒng)測定，動(dòng)態(tài)法的煙氣測定系統(tǒng)是開放的，即當(dāng)煙從設(shè)備里流出時(shí)測定。靜態(tài)法是模擬封閉空間的生煙性能；動(dòng)態(tài)法則相應(yīng)于火災(zāi)時(shí)疏散路徑上的生煙情況。測試裝置可以水平放置，也可以豎直放置。采用豎直光徑或循環(huán)空氣，可避免煙的分層。對熱塑性材料，在測試過程中豎直放置會(huì)由于熔化而造成熔滴損失。此外，測試試樣的尺寸可根據(jù)測定技術(shù)及試樣的位置（水平放置或豎直放置）而有所變化。測試過程中試樣熱分解或者燃燒所需要的能量可由輻射裝置或明火提供。根據(jù)能量的方式或程度試樣可以在陰燃或明燃條件下熱解。測試材料生煙性能的測試方法主要包括NBS煙箱法、XP2煙箱法、ISO煙箱法和錐形量熱儀法等。下面著重介紹NBS煙箱法。

NBS煙密度測試箱試驗(yàn)方法是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST，NBS的前身）建立的。NBS煙密度測試箱試驗(yàn)方法廣泛應(yīng)用于檢測塑料制品、軌道交通非金屬材料、船舶非金屬材料和電線電纜制品等的煙密度等級。NBS煙箱法不僅在美國、法國、德國和中國均被引用為國家標(biāo)準(zhǔn)，而且被ISO接受。該測試標(biāo)準(zhǔn)的測試結(jié)果精確，同時(shí)光學(xué)傳感器使用了精密的光電倍增管，可以捕獲箱體內(nèi)細(xì)微的煙氣含量變化，同時(shí)如果與傅里葉（FTIR）紅外變換裝置對接，則可完成煙氣含量的定性及定量分析等。但是NBS煙箱確定的材料生煙性，無論理論上還是實(shí)際上都有一些缺點(diǎn)，其中最重要的是此種測試方法缺乏大型火災(zāi)的相關(guān)性。用NBS法測定的煙密度一般情況下不能與大型火災(zāi)的結(jié)果相關(guān)聯(lián)，因此NBS煙箱法不能預(yù)測材料在真實(shí)火災(zāi)場景下的危險(xiǎn)性。此外NBS煙箱法的缺點(diǎn)還包括以下幾點(diǎn)：①垂直放置的試樣容易熔化滴落；②試驗(yàn)過程中不能測定試樣的實(shí)時(shí)質(zhì)量；③只能采用單一的輻照熱流量；④當(dāng)煙箱中的氧含量低于14%時(shí)，材料燃燒自熄，在封閉的NBS煙箱中，隨著試樣的燃燒氧氣含量下降，有時(shí)在試驗(yàn)結(jié)束前氧含量可降低至14%；⑤NBS煙箱不適用于復(fù)合材料的嚴(yán)密測定，因?yàn)楫?dāng)氧氣含量低于14%時(shí)，復(fù)合材料中的部分物質(zhì)可能不燃燒。盡管如此，與其他煙箱相比，NBS煙箱還是考慮了一些實(shí)際火場因素，可測定材料明燃和陰燃情況下的煙密度。此外研究人員也對NBS煙箱進(jìn)行了一些改進(jìn)，如在系統(tǒng)中引入壓縮空氣，提供可控通風(fēng)裝置和測壓元件，給煙箱提供氮-氧混合氣體，改進(jìn)點(diǎn)火源等。

材料燃燒過程中煙氣毒性的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜過程，其理論及實(shí)際方面的系統(tǒng)研究還處于初級階段，所以下面只簡單介紹測定方法和有關(guān)基本概念。材料燃燒后形成的有毒物質(zhì)對人和動(dòng)物的影響至關(guān)重要，因此材料燃燒毒性得到人們更多的重視。燃燒產(chǎn)物毒性試驗(yàn)的主要目的是確定火災(zāi)氣體對生物的病理影響，研究這些毒性氣體對生物的實(shí)際毒性，區(qū)分火災(zāi)氣體所能引起的各種不同類型的毒性，進(jìn)而研究火災(zāi)氣體中各組分對人體的綜合致毒作用。

檢測材料燃燒產(chǎn)物毒性的試驗(yàn)方法主要包括化學(xué)分析法和生物分析法兩大類。在實(shí)際分析煙氣的過程中，經(jīng)常將化學(xué)分析法和生物分析法結(jié)合使用。在測量真實(shí)火災(zāi)氣體的危害性時(shí)，合理的取樣方式非常重要，取樣的時(shí)間和地點(diǎn)不同，得到的結(jié)果會(huì)不同。用于燃燒產(chǎn)物測定的方法主要是光譜法（紅外光譜、質(zhì)譜、色譜、色譜-質(zhì)譜和核磁共振法）。通常情況下用于分析燃燒產(chǎn)物的生物體中毒與生物體吸入氣體的時(shí)間及氣體中所含有毒物質(zhì)濃度的關(guān)系，生命組織中毒后發(fā)生的降解及致死的原因等。火災(zāi)煙氣毒性的評價(jià)、預(yù)測和控制是解決材料燃燒煙氣毒性危害問題的關(guān)鍵。國內(nèi)外普遍采用小尺寸試驗(yàn)裝置如錐形爐、管式爐和杯爐等模擬材料在全尺寸下的煙氣釋放，同時(shí)釆用化學(xué)分析法或動(dòng)物暴露染毒法，通過有效劑量分?jǐn)?shù)模型對火災(zāi)煙氣毒性進(jìn)行評價(jià)。但僅采用化學(xué)分析測定燃燒氣體產(chǎn)物的組分不能全面評估燃燒產(chǎn)物的毒性大小。

一些實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物方法為材料煙氣毒性的評價(jià)提供了更豐富的手段。生物毒性測定方法基于燃燒產(chǎn)物對試驗(yàn)動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)及生理狀態(tài)的影響，但是這種評價(jià)方法與很多因素有關(guān)，如材料的裂解溫度、分解模式、分解產(chǎn)物的溫度及濃度、動(dòng)物的種類及中毒時(shí)間等。因此影響動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果的變量極其復(fù)雜。另一種評價(jià)材料燃燒毒性的方法基于材料燃燒毒性產(chǎn)物對試驗(yàn)動(dòng)物支氣管的刺激，具體表現(xiàn)為吸入有毒氣體的濃度與動(dòng)物呼吸頻率之間的關(guān)系。還有一種評價(jià)方法為動(dòng)物吸入被人為控制的有毒材料熱降解或燃燒的氣態(tài)產(chǎn)物，進(jìn)一步測定以下參數(shù)：①連續(xù)分析空氣-燃燒氣態(tài)產(chǎn)物混合物的組成（如O₂、CO、CO₂、鹵化氫和氰化物等的含量）；②被測試動(dòng)物的血液情況（pH值，O₂、CO和CO₂的含量）；③測試動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)情況，測量心電圖和血壓。評價(jià)燃燒產(chǎn)物毒性的方法如表2.3所示。

以試驗(yàn)方法評價(jià)材料燃燒氣態(tài)產(chǎn)物的毒性時(shí)，將材料在人為條件下燃燒或熱裂解，通常情況與材料在實(shí)際火災(zāi)所處條件不一樣。因此必須進(jìn)行火災(zāi)模擬試驗(yàn)，以評估材料在大量燃燒或裂解時(shí)的行為，從而關(guān)聯(lián)到人為控制的煙氣毒性試驗(yàn)。

火災(zāi)煙氣毒性測量是一門涉及燃燒、物理、化學(xué)和環(huán)境等眾多相關(guān)內(nèi)容的跨學(xué)科研究領(lǐng)域。火災(zāi)中的煙氣成分十分復(fù)雜，因此這極大地增加了研究的難度，毒性的測試裝置如表2.4所示。我國公安部四川消防研究所率先開展了一系列材料燃燒火災(zāi)煙氣毒性方面的研究工作。世界主要發(fā)達(dá)國家的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也都分別提出了火災(zāi)煙氣毒性的評價(jià)方法和測試手段。小尺寸試驗(yàn)裝置如錐形量熱儀，測試條件是在固定的熱通量且通風(fēng)條件良好的情況下對材料生煙速率和煙氣生成總量進(jìn)行測量；煙密度箱則是表征小尺寸材料在封閉空間內(nèi)、固定熱流量條件下進(jìn)行有焰或無焰燃燒時(shí)的煙氣釋放情況。但是火災(zāi)煙氣釋放情況隨著火災(zāi)場景的改變而發(fā)生變化。管式爐可解決上述問題，在管式爐中進(jìn)行的模擬試驗(yàn)，能夠?qū)Ρ粶y材料在燃燒環(huán)境中的溫度、氧濃度和通風(fēng)情況等進(jìn)行調(diào)控。此外，所用的試驗(yàn)裝置中加熱爐需要?jiǎng)蛩僖苿?dòng)以達(dá)到均勻加熱石英管中樣品的目的。