沈利铭 张明振 黄冬梅 段鹏征 赵玉法

(1.喜临门家具股份有限公司 浙江绍兴 312000； 2.中国计量大学质量与安全工程学院 杭州 310018)

0 引言

乳胶床垫由于具有较好的弹性和抗螨除菌的效果受到许多消费者的青睐。床垫填充材料乳胶泡沫是由液态乳胶发泡而成，具有特殊三维网状多孔结构[1]。乳胶泡沫极易燃烧，在燃烧过程中会释放大量有毒有害气体，并产生大量黑色絮状颗粒物[2]，对人体造成极大危害。在发生火灾时，极易引燃周围可燃物，使得火焰蔓延速率迅速增加，具有很高的火灾危险性[3]。火焰的蔓延是一个重要的燃烧过程[4]，研究乳胶泡沫材料的燃烧特性很有意义。前人对聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫的火灾行为进行了大量研究[5-6]，但是对乳胶泡沫的相关研究工作较少。FAN H W等[7]研究了乳胶泡沫材料的热稳定性，通过实验获得乳胶泡沫的平均活化能E和前指数因子A分别为92.82 kJ/mol和1.12×10-3s-1。HUANG D M等[8]研究了底部通风条件对乳胶泡沫火灾行为的影响，实验结果显示材料在底部不通风和通风条件下的平均火蔓延速率分别为1.4 cm/s和1.6 cm/s。黄村[9]使用数值模拟的方法，分析不同风速对室内火灾发展情况的影响，研究结果表明无风条件下不利于烟气的流通与扩散，并且随风速的增加，烟气蔓延出窗户的长度随之增加。侯龙飞等[10]使用FDS模拟央视大楼火灾，研究了高层建筑火灾时的温度、烟气浓度等参数在不同风速条件下的变化规律。童琳等[11]自主搭建实验平台，研究航空煤油在0～4.99 m/s风速范围内的燃烧特性，研究结果表明燃烧速率随风速的增加而增加。

综上所述，研究通风管道风速对乳胶泡沫的火焰蔓延特性的影响很有必要。本文研究了在管道通风风速为0，1.5，3，4.5，6 m/s时乳胶泡沫的燃烧特性，为乳胶泡沫阻燃技术的发展提供数据支撑。

1 实验装置和方法

1.1 实验设计

实验装置由三部分组成：排烟系统、实验台和数据采集系统。排烟系统主要由消防风机通风管道集烟罩和风速控制箱组成。风速主要由HTF型轴流式消防排烟风机提供。风机的额定功率为2.2 kW，空气流量为6 120～8 500 m2/h。如图1(a)所示，直径为40 cm通风管道一端与风机连接，另一端与尺寸为200 cm×300 cm的集烟罩连接。实验台包括50 cm×50 cm×70 cm的不锈钢支架、孔径1.5 cm的铁丝网、60 cm×40 cm×30 cm的角钢支架、石棉板不锈钢支架和铁丝网承托实验样品，角钢支架和石棉板用来收集燃烧产生的灰烬。数据采集系统包括风速计、电子天平、直径0.05 cm的K型铠装热电偶、数据采集仪、摄像机和计算机。

1.2 实验方法

在实验中使用尺寸为25 cm×25 cm×2cm的乳胶泡沫样品。在样品表面绘制一系列2.5 cm的平行线，如图1(b)所示，共布置6根热电偶(TC1～TC6)，每相邻2根热电偶间距为3.54 cm，实时观察火焰前锋随时间移动距离。使用3个摄像机分别与试样表面呈45°-0°-45°放置，记录整个实验过程，分析火焰形态变化、火焰高度、背火面火蔓延情况等。实验前，风速计用于校准通风管道的风速，风速由风速控制箱控制，风速可设定为0，1.5，3，4.5，6 m/s。将实验样品在40 ℃的恒温干燥箱中干燥24 h。

(a)实验台示意

(b)热电偶布置方式

2 实验结果及分析

2.1 火焰形态

图2显示了静风状态以及风速为1.5，6 m/s时乳胶泡沫燃烧过程中的火焰形态。在静风条件下，火焰前锋经过75 s到达材料边缘，火焰形态由圆锥形变为角锥形。随着燃烧程度的加剧，燃烧释放的黑色烟气越来越多，在猛烈燃烧阶段出现轰然现象，火焰宽度会大于材料宽度，原因是材料热解产生挥发性气体，挥发性气体在材料边缘被引燃。经过160 s火焰熄灭，仍有少量残留物附着在铁丝网表面，残留物继续生成白色烟气，并且空气中漂浮有黑色絮状烟颗粒。燃烧过程中材料表面可以分为火焰区、预热区、燃烬区、未燃区。在风速为1.5 m/s时，火焰蔓延至材料边缘时间为88 s，经过156 s火焰熄灭；在风速为3，4.5，6 m/s时，火焰蔓延时间分别为76，71，75 s，火焰熄灭时间分别为150，148，146 s。

(a)静风

(b)风速为1.5 m/s

(c)风速为6 m/s

2.2 质量损失速率与热烟气发展过程

质量损失反映了乳胶泡沫材料在燃烧过程中的燃烧与分解过程，其中质量损失越小，表示材料热分解的产物越少，质量损失速率表示材料燃烧过程中热解挥发速度的大小。图3所示为乳胶泡沫材料在不同风速时质量和质量损失速率随时间变化过程，最大质量损失速率分别为2.80，2.26，2.65，3.18，3.63 g/s。在有风条件下，风速较小时最大质量损失速率比静风条件下小，并且随着风速的增加，最大质量损失速率不断增大。

(a)质量随时间变化过程

(b)质量损失速率随时间变化过程

风机主要作用对象是浮力羽流区中的流动烟气，烟气部分包括乳胶泡沫燃烧释放的烟气产物以及羽流流动过程中卷吸的空气。乳胶泡沫燃烧区产生大量热，一部分被试样未燃部分吸收，另一部分在对流和辐射的作用下以对流或辐射能量流的形式扩散。热烟气发展过程如图4所示。

图4 热烟气发展过程

图5 乳胶泡沫材料火焰高度变化

实验产生的烟气通过管道和风机排出实验室窗口外面，烟气在窗口上方一定高度处的质量流量可由式(2)计算为

式中，zw为烟气羽流高出窗口上表面的高度，m；a为等效高度，m。

其中a可由式(3)表示为

式中，bw为窗口的宽度，m；hw为窗口的高度，m。

(5)

乳胶泡沫材料燃烧实验过程中只有一个通风口，通常情况下，通风因子与通风口大小有关，通过影响燃烧空间内的空气流率进而影响实验样品的燃烧速率，其中通风因子越大，燃烧空间的空气流率越大。

本实验中通过改变管道风速影响燃烧空间空气流率，随着风速的增大，通风因子与火灾热释放速率不断增大。静风时火焰主要靠浮力驱动，大量烟气和挥发分积聚在火焰上方在受热时产生明火，因而火焰高度较高，在有风时管道风速加速乳胶泡沫材料燃烧产生的大量烟气和挥发分的移动，风速越大，燃烧空间空气流率越大[12]。

2.3 火焰温度与火蔓延速率

乳胶泡沫材料在管道风速为0，1.5，3，4.5，6 m/s时的最大火焰温度分别为896.89，845.71，797.05，896.52，833.75 ℃。在火蔓延过程中火焰温度均在400 ℃左右，火焰蔓延至整个材料表面之后，试样燃烧过程加剧，火焰温度出现升高的现象。火焰前锋蔓延至热电偶位置时，热电偶温度迅速升高，进而得出火焰前锋移动时间，计算获得火蔓延速率。单位时间内火焰前锋蔓延的距离即为火蔓延速率。火蔓延速率都呈不断增大趋势，最大火蔓延速率分别为0.44，0.51，0.44，0.51，0.59 cm/s，平均火焰蔓延速率分别为0.24，0.20，0.23，0.25，0.24 cm/s。由于火蔓延初期火势较小，释放的烟气量也比较小，管道风速的大小对火蔓延速率没有影响。

3 结论

(1)在管道风速为0，1.5，3，4.5，6 m/s时，最大质量损失速率分别为2.80,2.26，2.65，3.18，3.63 g/s，风速较小时最大质量损失速率比静风条件下小，并且随着风速的增加，最大质量损失速率不断增大。

(2)不同管道风速下的最大火焰高度分别为96.39，72.83，90.68，94.96，95.32 cm。静风条件下的平均火焰高度和最大火焰高度都比有风时高，在有风条件下，随着风速的不断增大，最大火焰高度不断增大，有风时随着管道风速的增加，乳胶泡沫材料燃烧产生的大量烟气和挥发分排放效率增加，通风因子与火灾热释放速率不断增大。