(1. 華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣州,510640；2. 廣州市纖維產(chǎn)品檢測(cè)院,廣州,510220)

中國(guó)已成為非織造布的生產(chǎn)大國(guó)，隨著人均消費(fèi)量的提高，非織造布的用量也不斷增加，衛(wèi)生用品、擦拭布、內(nèi)墻裝飾、地面覆蓋材料、包裝袋等，與人們的生活息息相關(guān)。但是非織造布產(chǎn)品多數(shù)屬易燃品，潛在的火災(zāi)隱患不得不引起人們的重視。因此，對(duì)非織造布的燃燒性能進(jìn)行正確評(píng)價(jià)，從而有目的地進(jìn)行阻燃整理顯得尤為重要。

垂直燃燒法、水平燃燒法、極限氧指數(shù)法等是實(shí)驗(yàn)室常用的燃燒性能表征方法，根據(jù)這些方法可進(jìn)行小型燃燒試驗(yàn)，但由于測(cè)試條件的局限性，這些方法只能定性地分析燃燒結(jié)果[1-3]。同時(shí)，上述方法通常用于比較相同試驗(yàn)條件下材料的阻燃性能，而無(wú)法模擬真實(shí)火災(zāi)環(huán)境，因此具有較大的局限性[4]。

目前，研究材料燃燒性能的一種較好的方法是錐形量熱儀(Cone Calorimeter，簡(jiǎn)稱CONE)試驗(yàn)，在試驗(yàn)中可以由計(jì)算機(jī)分析得到樣品燃燒過(guò)程中釋放熱量、質(zhì)量變化、煙氣速率和組分等與真實(shí)火災(zāi)具有良好相關(guān)性的重要信息[3]。CONE是根據(jù)“耗氧原理”設(shè)計(jì)的儀器，即樣品受熱燃燒時(shí)，會(huì)消耗氧氣并釋放熱量，一定質(zhì)量的氧氣對(duì)應(yīng)一定的熱量。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試和計(jì)算，證明耗氧燃燒熱的平均值為13.1 MJ/kg，偏差為5%[5]。所以在試驗(yàn)中，可通過(guò)測(cè)定氧氣量的變化來(lái)得到材料燃燒過(guò)程中的熱釋放速率、煙釋放速率等信息，進(jìn)而推斷所測(cè)樣品的燃燒性能。

錐形量熱儀要求測(cè)試樣品至少為3 mm厚，而對(duì)于很多薄型織物樣品和非織造布樣品而言，難以達(dá)到該要求，只能通過(guò)增加樣品層數(shù)的方法來(lái)達(dá)到試驗(yàn)的厚度要求，但是厚度對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響目前尚無(wú)系統(tǒng)報(bào)道。本文選定40 g/m2的丙綸非織造布為研究對(duì)象，以不同層數(shù)的樣品為一組，通過(guò)錐形量熱儀，系統(tǒng)研究不同疊放層數(shù)的丙綸非織造布的燃燒性能，初步探討了疊放層數(shù)對(duì)薄型織物燃燒性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

40 g/m2丙綸非織造布，裁剪試樣400片，每片尺寸均為100 mm×100 mm。分別取5、15、25、35、45片為5個(gè)樣品組，每個(gè)樣品組含3個(gè)平行樣品。在測(cè)試樣品盒上端加相同大小的壓力，測(cè)得5組樣品的厚度分別為1.10、3.19、5.22、7.49和9.29 mm。

測(cè)試儀器為英國(guó)FTT公司的錐形量熱儀。

1.2 測(cè)試過(guò)程

按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1354/ISO 5660，測(cè)試不同層數(shù)樣品的燃燒性能。功率為35 kW，燃燒過(guò)程中計(jì)算機(jī)跟蹤各項(xiàng)燃燒參數(shù)。不同層數(shù)的樣品平行測(cè)試3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品層數(shù)對(duì)樣品熱釋放速率的影響

圖1為不同層數(shù)的樣品燃燒時(shí)熱釋放速率(HRR)與時(shí)間的關(guān)系。

圖1 不同層數(shù)樣品的熱釋放速率與時(shí)間的關(guān)系

對(duì)于受到熱輻射的樣品而言，熱輻射導(dǎo)致材料燃燒后其最大熱釋放速率的時(shí)間點(diǎn)直接表明了材料受熱發(fā)生燃燒的速度。其熱釋放速率的大小也表示了材料燃燒的劇烈程度[6]。

從圖1可以看出，不同層數(shù)樣品的熱釋放速率與時(shí)間之間的變化規(guī)律相似，都是熱輻射到一定時(shí)間后織物燃燒并釋放出燃燒熱，達(dá)到峰值后迅速下降直至平緩；隨著樣品層數(shù)的增加，燃燒時(shí)間增加，燃燒釋放熱量的時(shí)間延長(zhǎng)，最大熱釋放值增加，且出現(xiàn)最高熱釋放的時(shí)間延后。

取圖1中每條曲線的峰值為縱坐標(biāo)，層數(shù)為橫坐標(biāo)作圖，見(jiàn)圖2。由圖2可知，不同層數(shù)樣品的熱釋放速率峰值呈較好的線性增加趨勢(shì)，即熱釋放速率的峰值與試樣厚度直接相關(guān)。

取圖1中每條曲線的積分面積(熱釋放總量)為縱坐標(biāo)，層數(shù)為橫坐標(biāo)，結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同層數(shù)樣品的熱釋放速率峰值和厚度的變化

圖3 不同層數(shù)樣品的熱釋放總量

從圖3可看出，不同層數(shù)樣品的熱釋放總量也隨著層數(shù)的增加而增大(<35層)，但是當(dāng)樣品層數(shù)超過(guò)35后，熱釋放總量出現(xiàn)迅速增大的現(xiàn)象。表明熱釋放總量除了與樣品層數(shù)(厚度)有關(guān)外，還存在一定的熱累加效應(yīng)，可能與樣品堆積狀態(tài)和放熱過(guò)程有關(guān)。

紡織品的質(zhì)量會(huì)影響釋放熱量的大小，以熱釋放總量除以不同層數(shù)樣品對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，結(jié)果如表1所示。

表1 不同層數(shù)樣品的單位質(zhì)量熱釋放總量

從表1可以看出，前4組樣品的單位質(zhì)量熱釋放總量數(shù)值較為接近，而45層一組的數(shù)值明顯大于其他4組，這間接證明了疊放層數(shù)對(duì)樣品燃燒過(guò)程中熱釋放的影響還存在其他的熱效應(yīng)。

2.2 不同層數(shù)樣品的煙釋放速率

不同層數(shù)樣品的煙釋放速率(RSR)與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，每條曲線的波動(dòng)性很大，但總體趨勢(shì)都是先增大至峰值，然后下降直至平緩；最大煙釋放速率的時(shí)間隨著層數(shù)的增加有所延后。原因是樣品燃燒時(shí)為逐層燃燒，層數(shù)較少的樣品在前期燃燒速度較快，燃燒較充分，而層數(shù)多的樣品隨著時(shí)間的延長(zhǎng)才能得到充分燃燒。所以層數(shù)少的樣品較快達(dá)到最大煙釋放速率，隨著層數(shù)的增加時(shí)間有所延后。

圖4 不同層數(shù)樣品的煙釋放速率與時(shí)間的關(guān)系

取圖4中每條曲線的峰值為縱坐標(biāo)，層數(shù)為橫坐標(biāo)作圖，如圖5所示。

圖5 不同層數(shù)樣品的煙釋放速率峰值

圖5表明，煙釋放速率峰值隨著層數(shù)的增加而增加，但曲線整體呈非線性狀態(tài)，超過(guò)35層后曲線增幅較大。

取圖4中每條曲線的積分面積(煙釋放總量)為縱坐標(biāo)，層數(shù)為橫坐標(biāo)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同層數(shù)樣品的煙釋放總量

圖6表明，雖然在25層處曲線下降，但總體來(lái)說(shuō)還是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的。

2.3 不同層數(shù)樣品的總釋放熱

不同層數(shù)樣品燃燒時(shí)的熱釋放總量(THR)與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖7。

圖7 不同層數(shù)樣品的熱釋放總量與時(shí)間的關(guān)系

由圖7可知，隨著樣品層數(shù)的增加，總釋放熱也增加；35層與45層兩條曲線的斜率明顯大于其他幾組，再次證明了總釋放熱除與樣品層數(shù)(厚度)相關(guān)外，還存在一定的熱累加效應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)薄型織物的燃燒性能通過(guò)熱釋放速率、煙釋放速率等火情參數(shù)來(lái)表征，不同層數(shù)樣品的燃燒性能不同，一般呈線性增加趨勢(shì)，即隨著層數(shù)的增加，熱釋放速率、煙釋放速率都增加。

(2)樣品疊放層數(shù)增加，則各項(xiàng)燃燒性能參數(shù)隨之增加，并伴隨熱累加效應(yīng)。

(3)對(duì)于錐形量熱試驗(yàn)，薄型織物樣品的測(cè)試存在一個(gè)最佳的層數(shù)區(qū)間。在本試驗(yàn)中，15～35層為最佳層數(shù)區(qū)間；若<15層，樣品數(shù)量少而難以進(jìn)一步分析；若>35層，樣品的燃燒測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。在15～35層的區(qū)間內(nèi)，各項(xiàng)火情參數(shù)隨著層數(shù)的增加呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，可較好地分析薄型紡織品的燃燒性能。

[1] 宋新平．阻燃紡織品及其性能測(cè)試的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]．北京紡織，2000，21(5)：32-34．

[2] 趙雪，朱平，展義臻．阻燃紡織品的性能測(cè)試方法及發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]．染整技術(shù)，2007，29(5)： 38-41．

[3] 康佳，王建明，王曉春．常見(jiàn)織物的燃燒性能[J]．毛紡科技，2010，39 (6)：51-55．

[4] 徐曉楠．新一代評(píng)估方法：錐形量熱儀(CONE)法在材料阻燃研究中的應(yīng)用[J]．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23(1)：19-22．

[5] 張軍，紀(jì)奎江，夏廷致．聚合物燃燒與阻燃技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：9．

[6] 王慶國(guó)，張軍，張峰．錐形量熱儀的工作原理及應(yīng)用[J]．現(xiàn)代科學(xué)儀器，2003(6)：36-39．