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火災(zāi)中玻璃破裂行為及其表面附著物特性的研究

2017-04-15 08:08:04陳昊馳王理翔宋曉婷
福建質(zhì)量管理 2017年10期
關(guān)鍵詞:玻片結(jié)合能柴油

陳昊馳 王理翔 宋曉婷

(華北科技學(xué)院 北京 101601)

火災(zāi)中玻璃破裂行為及其表面附著物特性的研究

陳昊馳 王理翔 宋曉婷

(華北科技學(xué)院 北京 101601)

通過(guò)不同物質(zhì)燃燒產(chǎn)生火焰與玻片直接接觸,冷卻靜置后采集玻片樣品,對(duì)其標(biāo)注分類(lèi),采用X射線(xiàn)光電子能譜分析(XPS)對(duì)其分析,發(fā)現(xiàn)表面含C、O等元素,分析其元素百分比及判斷其存在形式和玻片破裂因素。通過(guò)XPS圖譜分析,依據(jù)不同化學(xué)態(tài)的C元素結(jié)合能不同,發(fā)現(xiàn)樣品中碳元素的幾種有機(jī)碳形態(tài)存在形式,根據(jù)不同形態(tài)含碳有機(jī)物結(jié)合能,針對(duì)燃燒物對(duì)有機(jī)碳存在形態(tài)做出了判斷。

玻璃;燃燒;XPS;結(jié)合能

一、引言

火災(zāi)造成的破壞巨大,難以估量。所以,要讓火源處于可控范圍,盡最大可能減少火災(zāi)對(duì)人類(lèi)造成的傷害。不同物質(zhì)產(chǎn)生的火焰顏色高度及熱量都不同,火災(zāi)環(huán)境的復(fù)雜性決定不同物質(zhì)燃燒對(duì)玻璃有著不同的損壞程度。[1]為找出不同燃燒物產(chǎn)生的火焰對(duì)玻璃產(chǎn)生損壞程度的規(guī)律,本文旨在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)找尋答案。

不同物質(zhì)燃燒在玻璃表面形成的殘留物質(zhì)對(duì)玻璃表面也有影響,因此用XPS這種表面靈敏的分析工具來(lái)分析其表面元素組成。[2]對(duì)玻璃受熱破裂分析,可提高對(duì)玻璃受熱破裂機(jī)理的認(rèn)識(shí),更清楚的認(rèn)識(shí)到破裂規(guī)律性,增強(qiáng)建筑安全防火設(shè)計(jì),對(duì)制作滅火救援方案與人員安全疏散方案具有非常重要的參考意義。

二、試驗(yàn)樣品采樣過(guò)程

(一)采集材料

采樣材料為玻片,燃燒皿,鑷子,溫/濕度計(jì),燒杯,標(biāo)簽貼,收納盒,酒精,固態(tài)酒精,柴油,醫(yī)用棉,聚丙烯樹(shù)脂,隔熱手套。1

(二)采樣過(guò)程

(1)準(zhǔn)備材料,整理歸類(lèi);(2)記錄實(shí)驗(yàn)室室溫及濕度,打開(kāi)排氣裝置;(3)在燃燒皿中放足量酒精,點(diǎn)燃器皿中酒精;(4)戴上隔熱手套,等待5秒至火焰穩(wěn)定,用鑷子夾持玻片,與實(shí)驗(yàn)臺(tái)平行接觸火焰,距燃燒物約4cm,且處于火焰當(dāng)中,使玻片與火焰充分接觸20秒,在空氣中冷卻至室溫;(5)用兩塊全新重復(fù)第4步,分別與火焰接觸40秒,60秒,在空氣中冷卻至室溫;(6)收集三塊玻片,貼上標(biāo)簽貼并做好相應(yīng)標(biāo)記,放于收納盒中,清洗燃燒皿;(7)分別用食用油、柴油、木材、醫(yī)用棉、油漆替換酒精,重復(fù)上述步驟;(8)收集好樣品,放于收納盒中,整理實(shí)驗(yàn)器材,處理廢渣廢料,關(guān)閉排氣裝置;(9)對(duì)收集好的樣品(共15塊)進(jìn)行XPS分析。

1,2,3號(hào)樣品為未處理樣品,用于對(duì)比;4,5,6號(hào)為棉花分別燃燒60s,40s,20s;7,8,9號(hào)為酒精燃燒;10,11,12為柴油燃燒20s,40s,60s;13,14,15號(hào)為固態(tài)酒精燃燒60s,40s,20s;16,17,18為聚丙烯樹(shù)脂。

三、XPS分析

(一)XPS全譜分析

進(jìn)行全譜掃描,得出樣品元素種類(lèi)。本文設(shè)置能量范圍0~1400eV,在該范圍下掃描。

樣品中基本只含C,O兩種元素。分別對(duì)這兩個(gè)元素進(jìn)行高分辨率掃描。不對(duì)酒精和固態(tài)酒精進(jìn)行分析的原因是其沒(méi)有固體燃燒產(chǎn)物,玻片表面無(wú)附著物。

樣品中C,O元素占大部分,該分析結(jié)果符合常規(guī)研究。

XPS定量分析結(jié)果如下:4號(hào)樣品元素C1s原子百分比為85.496%,O1s為14.504%;5號(hào)C1s原子百分比為88.035%,O1s為11.965%;6號(hào)C1s Scan A為67.66%,C1s B為7.492%,C1s C為3.165%,C1s D為7.259%,O1s為14.423%;10號(hào)C1s A為58.413%,C1s B為23.301%,C1s C為7.101%,C1s D為4.543%,O1s為6.642%;11號(hào)C1s A為43.907%,C1s B為31.638%,C1s C為8.806%,C1s D為5.427%,O1s為10.222%;12號(hào)C1s為94.458%,O1s為5.542%;16號(hào)C1s為87.586%,O1s為12.414%;17號(hào)C1s為85.993%, O1s為14.007%;18號(hào)C1s A為72.893%,C1s C為6.09%,C1s D為7.087%, O1s為13.929%。

(二)高分辨率XPS圖譜分析

對(duì)樣品進(jìn)行窄區(qū)掃描,獲得更精確的信息,如元素結(jié)合能,元素存在化學(xué)狀態(tài)。

由玻片10號(hào)C的譜圖可知,C含量很高,其組成比較復(fù)雜。C1s A信號(hào)結(jié)合能位于284.7eV,F(xiàn)WHM值為1.16eV;C1s B信號(hào)結(jié)合能位于285.78eV,F(xiàn)WHM值為1.1eV;C1s C結(jié)合能位于287.05eV,F(xiàn)WHM的值為1.57eV;C1s D信號(hào)結(jié)合能位于289.7eV,F(xiàn)WHM值為1.41eV。碳元素存在五個(gè)峰,依據(jù)不同官能團(tuán)結(jié)合能,各個(gè)峰代表的化合物分別為:ScanA為C-C鍵化合物;ScanB為C=C鍵化合物;ScanC為C-O鍵化合物;ScanD為C=O鍵化合物。分析C1s圖譜可知,四種形態(tài)化合物,均為有機(jī)碳化合物,因此,碳在玻片表面以有機(jī)形態(tài)存在,各個(gè)形態(tài)含碳有機(jī)物相對(duì)百分比為58.41:23.301:7.101:4.543。

上述數(shù)據(jù)說(shuō)明殘留物部分為燃燒后柴油蒸發(fā)附著玻璃表面,還有部分是柴油在空氣中燃燒后產(chǎn)物附著。柴油燃燒固態(tài)污染物有碳、金屬、無(wú)機(jī)氧化物、硫酸鹽及多環(huán)芳烴(PAH)和醛等碳?xì)浠衔?。玻片表面黑色油膩物質(zhì)為固體微粒(PM),是氣體中可見(jiàn)污染物,實(shí)驗(yàn)過(guò)程冒出的黑煙。[3]這類(lèi)物質(zhì)附著玻片表面使火焰無(wú)法直接接觸玻片,一定程度上減少玻片受到火焰破壞。乙醇熱值為3×10^7焦耳/千克,柴油為4.29×10^7焦耳/千克,密度相近,柴油燃燒熱更高,但玻片沒(méi)炸裂,沒(méi)達(dá)到跟95酒精相近效果,因此,柴油燃燒產(chǎn)物起到阻燃隔熱作用。酒精燃燒火焰直接接觸玻片表面,酒精直接傷害更多。而棉燃燒產(chǎn)物為水,二氧化碳,一氧化碳和碳顆粒。與火焰接觸越長(zhǎng)黑斑越少,由于在與火焰接觸過(guò)程,表面附著碳顆粒與空氣中氧氣反應(yīng)生成二氧化碳,幾乎沒(méi)有阻燃隔熱作用。[4]

四、結(jié)論

本文采用不同燃燒物火焰加熱玻片,拍攝樣張觀察玻片表面特征及破裂形式,結(jié)合XPS檢測(cè)玻片表面附著物元素信息,得到以下結(jié)論:

(一)通過(guò)觀察拍攝樣張發(fā)現(xiàn),不同燃燒物對(duì)玻璃有不同的破壞程度,其結(jié)果不僅取決于燃燒物燃燒熱,而且與燃燒產(chǎn)物阻燃性,玻片表面附著量有關(guān)。

(二)XPS分析后,能夠測(cè)到玻片表面具有C,O元素,對(duì)C元素進(jìn)行高分辨率圖譜分析。柴油燃燒實(shí)驗(yàn)中含碳有機(jī)物存在形式多為裂解碳(干煙灰)、未燃碳?xì)浠衔?、機(jī)油與柴油在燃燒時(shí)生成的硫酸鹽等;聚丙烯燃燒實(shí)驗(yàn)中玻片上含碳有機(jī)物的存在形式多為有機(jī)酸、二氧化碳、一氧化碳、水和碳顆粒。

(三)結(jié)合文獻(xiàn)與本文分析結(jié)果,柴油燃燒產(chǎn)物附著玻片表面,緩解玻璃炸裂作用非常明顯,能夠一定程度起到阻燃隔熱作用。

(四)聚丙烯在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生有機(jī)酸[5],對(duì)玻璃破壞作用不僅是燃燒熱,還有甲酸、乙酸等酸性有機(jī)物的腐蝕作用。

[1]魏小琴,范鈺珍.玻璃破損痕跡的勘查與應(yīng)用[J].湖北警官學(xué)院學(xué)報(bào),2012,(4):183-184.

[2]劉義祥,胡建國(guó),李會(huì)榮.火災(zāi)中窗玻璃熱炸裂痕跡形成機(jī)理的研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2005,24(4):430-432.

[3]張毅.火災(zāi)場(chǎng)景中玻璃破裂行為研究綜述[J].災(zāi)害學(xué),2010,25:114.

[4]李建華等.普通窗玻璃熱破裂行為研究[J].火災(zāi)科學(xué),1999,8(3):21-28.

[5]聶士斌.聚丙烯阻燃協(xié)效、成炭機(jī)理和新型膨脹阻燃體系的研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

華北科技學(xué)院基金項(xiàng)目:不同濃度條件下瓦斯爆炸傳播致障效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究(3142017024)

陳昊馳(1993—),男,漢族,江蘇人,碩士研究生,華北科技學(xué)院,研究方向:危險(xiǎn)化學(xué)品安全技術(shù)。

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