陈昊驰 王理翔 宋晓婷

(华北科技学院 北京 101601)

火灾中玻璃破裂行为及其表面附着物特性的研究

陈昊驰 王理翔 宋晓婷

(华北科技学院 北京 101601)

通过不同物质燃烧产生火焰与玻片直接接触，冷却静置后采集玻片样品，对其标注分类，采用X射线光电子能谱分析(XPS)对其分析，发现表面含C、O等元素，分析其元素百分比及判断其存在形式和玻片破裂因素。通过XPS图谱分析，依据不同化学态的C元素结合能不同，发现样品中碳元素的几种有机碳形态存在形式，根据不同形态含碳有机物结合能，针对燃烧物对有机碳存在形态做出了判断。

玻璃;燃烧;XPS;结合能

一、引言

火灾造成的破坏巨大，难以估量。所以，要让火源处于可控范围，尽最大可能减少火灾对人类造成的伤害。不同物质产生的火焰颜色高度及热量都不同，火灾环境的复杂性决定不同物质燃烧对玻璃有着不同的损坏程度。[1]为找出不同燃烧物产生的火焰对玻璃产生损坏程度的规律，本文旨在设计实验来找寻答案。

不同物质燃烧在玻璃表面形成的残留物质对玻璃表面也有影响，因此用XPS这种表面灵敏的分析工具来分析其表面元素组成。[2]对玻璃受热破裂分析，可提高对玻璃受热破裂机理的认识，更清楚的认识到破裂规律性，增强建筑安全防火设计，对制作灭火救援方案与人员安全疏散方案具有非常重要的参考意义。

二、试验样品采样过程

(一)采集材料

采样材料为玻片，燃烧皿，镊子，温/湿度计，烧杯，标签贴，收纳盒，酒精，固态酒精，柴油，医用棉，聚丙烯树脂，隔热手套。1

(二)采样过程

(1)准备材料，整理归类；(2)记录实验室室温及湿度，打开排气装置；(3)在燃烧皿中放足量酒精，点燃器皿中酒精；(4)戴上隔热手套，等待5秒至火焰稳定，用镊子夹持玻片，与实验台平行接触火焰，距燃烧物约4cm，且处于火焰当中，使玻片与火焰充分接触20秒，在空气中冷却至室温；(5)用两块全新重复第4步，分别与火焰接触40秒，60秒，在空气中冷却至室温；(6)收集三块玻片，贴上标签贴并做好相应标记，放于收纳盒中，清洗燃烧皿；(7)分别用食用油、柴油、木材、医用棉、油漆替换酒精，重复上述步骤；(8)收集好样品，放于收纳盒中，整理实验器材，处理废渣废料，关闭排气装置；(9)对收集好的样品(共15块)进行XPS分析。

1,2,3号样品为未处理样品，用于对比；4,5,6号为棉花分别燃烧60s,40s，20s；7,8,9号为酒精燃烧；10,11,12为柴油燃烧20s，40s，60s；13,14,15号为固态酒精燃烧60s，40s，20s；16,17,18为聚丙烯树脂。

三、XPS分析

(一)XPS全谱分析

进行全谱扫描，得出样品元素种类。本文设置能量范围0～1400eV，在该范围下扫描。

样品中基本只含C，O两种元素。分别对这两个元素进行高分辨率扫描。不对酒精和固态酒精进行分析的原因是其没有固体燃烧产物，玻片表面无附着物。

样品中C，O元素占大部分，该分析结果符合常规研究。

XPS定量分析结果如下：4号样品元素C1s原子百分比为85.496%，O1s为14.504%；5号C1s原子百分比为88.035%，O1s为11.965%；6号C1s Scan A为67.66%，C1s B为7.492%，C1s C为3.165%，C1s D为7.259%，O1s为14.423%；10号C1s A为58.413%，C1s B为23.301%，C1s C为7.101%，C1s D为4.543%，O1s为6.642%；11号C1s A为43.907%，C1s B为31.638%，C1s C为8.806%，C1s D为5.427%，O1s为10.222%；12号C1s为94.458%，O1s为5.542%；16号C1s为87.586%，O1s为12.414%；17号C1s为85.993%， O1s为14.007%；18号C1s A为72.893%，C1s C为6.09%，C1s D为7.087%， O1s为13.929%。

(二)高分辨率XPS图谱分析

对样品进行窄区扫描，获得更精确的信息，如元素结合能，元素存在化学状态。

由玻片10号C的谱图可知，C含量很高，其组成比较复杂。C1s A信号结合能位于284.7eV，FWHM值为1.16eV；C1s B信号结合能位于285.78eV，FWHM值为1.1eV；C1s C结合能位于287.05eV，FWHM的值为1.57eV；C1s D信号结合能位于289.7eV，FWHM值为1.41eV。碳元素存在五个峰，依据不同官能团结合能，各个峰代表的化合物分别为：ScanA为C-C键化合物；ScanB为C=C键化合物；ScanC为C-O键化合物；ScanD为C=O键化合物。分析C1s图谱可知，四种形态化合物，均为有机碳化合物，因此，碳在玻片表面以有机形态存在，各个形态含碳有机物相对百分比为58.41：23.301：7.101：4.543。

上述数据说明残留物部分为燃烧后柴油蒸发附着玻璃表面，还有部分是柴油在空气中燃烧后产物附着。柴油燃烧固态污染物有碳、金属、无机氧化物、硫酸盐及多环芳烃(PAH)和醛等碳氢化合物。玻片表面黑色油腻物质为固体微粒(PM)，是气体中可见污染物，实验过程冒出的黑烟。[3]这类物质附着玻片表面使火焰无法直接接触玻片，一定程度上减少玻片受到火焰破坏。乙醇热值为3×10^7焦耳/千克，柴油为4.29×10^7焦耳/千克，密度相近，柴油燃烧热更高，但玻片没炸裂，没达到跟95酒精相近效果，因此，柴油燃烧产物起到阻燃隔热作用。酒精燃烧火焰直接接触玻片表面，酒精直接伤害更多。而棉燃烧产物为水，二氧化碳，一氧化碳和碳颗粒。与火焰接触越长黑斑越少，由于在与火焰接触过程，表面附着碳颗粒与空气中氧气反应生成二氧化碳，几乎没有阻燃隔热作用。[4]

四、结论

本文采用不同燃烧物火焰加热玻片，拍摄样张观察玻片表面特征及破裂形式，结合XPS检测玻片表面附着物元素信息，得到以下结论：

(一)通过观察拍摄样张发现，不同燃烧物对玻璃有不同的破坏程度，其结果不仅取决于燃烧物燃烧热，而且与燃烧产物阻燃性，玻片表面附着量有关。

(二)XPS分析后，能够测到玻片表面具有C，O元素，对C元素进行高分辨率图谱分析。柴油燃烧实验中含碳有机物存在形式多为裂解碳(干烟灰)、未燃碳氢化合物、机油与柴油在燃烧时生成的硫酸盐等；聚丙烯燃烧实验中玻片上含碳有机物的存在形式多为有机酸、二氧化碳、一氧化碳、水和碳颗粒。

(三)结合文献与本文分析结果，柴油燃烧产物附着玻片表面，缓解玻璃炸裂作用非常明显，能够一定程度起到阻燃隔热作用。

(四)聚丙烯在燃烧过程中产生有机酸[5]，对玻璃破坏作用不仅是燃烧热，还有甲酸、乙酸等酸性有机物的腐蚀作用。

[1]魏小琴，范钰珍.玻璃破损痕迹的勘查与应用[J].湖北警官学院学报，2012,(4)：183-184.

[2]刘义祥，胡建国，李会荣.火灾中窗玻璃热炸裂痕迹形成机理的研究[J].消防科学与技术，2005，24(4)：430-432.

[3]张毅.火灾场景中玻璃破裂行为研究综述[J].灾害学，2010，25：114.

[4]李建华等.普通窗玻璃热破裂行为研究[J].火灾科学，1999，8(3)：21-28.

[5]聂士斌.聚丙烯阻燃协效、成炭机理和新型膨胀阻燃体系的研究[D].中国科学技术大学，2010.

华北科技学院基金项目：不同浓度条件下瓦斯爆炸传播致障效应实验研究(3142017024)

陈昊驰(1993—)，男，汉族，江苏人，硕士研究生，华北科技学院，研究方向：危险化学品安全技术。