聚合物材料火灾危险性综合评价方法研究

提出了基于锥形量热仪试验热烟毒数据和主成分分析方法的聚合物材料火灾危险性综合评价方法。应用主成分分析方法对16种塑料锥形量热仪试验数据计算出的燃烧特性指数进行了分析研究，得到判断聚合物材料火灾危险性大小的火灾危险性综合指数。在16种塑料中，火灾危险性最大的样品火灾危险性综合指数为1.056，火灾危险性最小的样品火灾危险性综合指数为-1.660，ABS、PS、PVC、PA4类样品的综合火灾危险性依次减小。 　　聚合物材料具有易燃性，其广泛使用增加了建筑物的火灾危险性，因此，正确评价聚合物材料的燃烧特性具有重要意义。聚合物材料的火灾危险性主要由材料燃烧时的热危险性和烟气危险性决定。热危险性指材料燃烧时释放的热对人员和财产的伤害和破坏；烟气危险性指材料燃烧时释放的烟和有毒气体对人员和环境的伤害和破坏。聚合物材料的火灾危险性实际上是材料燃烧时的热危险性和烟气危险性的综合表现，因此，综合评价聚合物材料的火灾危险性必须全面考虑材料的燃烧特性。 　　传统表征材料燃烧特性的小型试验方法，例如氧指数法、UL94水平燃烧法和垂直燃烧法与美国国际标准局NBS烟箱法等，具有成本低、操作简单方便的特点，但是试验条件与实际火灾情况差别比较大，试验结果只能应用于一定试验条件下材料之间燃烧特性的比较研究，不能作为评价材料在实际火灾环境中燃烧行为的依据。虽然大型实物燃烧试验(例如ISO9705)能够客观反映材料的火灾危险性，试验结果可以作为评价材料在实际火灾环境中燃烧特性的依据，但是成本高，试验比较复杂，因此不可能对所有材料进行大型实物燃烧试验。锥形量热仪试验容易进行，试验环境与实际火灾情况相似，试验结果与大型实物燃烧试验绒果之间存在比较好的相关性，因此，锥形量热仪广泛应用于材料燃烧特性评价川。目前，已经有标准ISO5660、ASTME1354等将锥形量热仪试验确定为进行材料燃烧特性的标准试验方法。 　　应用锥形量热仪可以得到点燃时间、燃烧时间、总热释放量、总耗氧量、总烟释放量、质量损失、平均比质量损失速率、热释放速率、有效燃烧热、质量损失速率、比消光面积、一氧化碳产率以及二氧化碳产率等材料燃烧特性参数。上述参数是评价材料火灾危险性的重要参数，但是单一参数只反映材料火灾危险性的某一方面，因此，应用单一参数综合评价材料火灾危险性比较困难。为进一步综合评价材料的火灾危险性，MarceloMHirsehler根据聚合物材料锥形量热仪试验结果，按照热释放速率峰值、点燃时间对数值与比消优面积对数值对塑料材料的火灾危险性进行了分级。Petren.RV.提出综合热释放速率峰值与点燃时间的比值和总热释放量，可以更加全面地评价材料的火灾危险性。热释放速率峰值与点燃时间的比值取决于热释放速率峰值和点燃时间这两个参数，这两个参数与外部热辐射通量、通风条件以及材料的破坏程度有关，而THE反映材料的内部能量，独立于环境因素(外部热辐射通量、通风条件以及材料的破坏程度)。上述方法均可以定量地综合评价材料的火灾危险性，但是，MareeloMHirsehler对塑料材料火灾危险性的分级标准只考虑了烟释放量，没有考虑有毒气体；PetreUaR.V.的方法只能够评价材料燃烧时的热危险性，没有考虑材料的烟气危险性。为能够比较全面地评价材料的火灾危险性，根据聚合物材料锥形量热仪试验数据，应用主成分分析方法对聚合物材料的火灾危险性进行了综合评价 　　主成分分析： 　　主成分分析是多元统计分析中一种重要的方法，通过多个指标的线性组合，能将众多的具有错综复杂相关关系的一系列指标归结为少数几个综合指标Xn，(主成分Fi)，既能使各主成分相互独立，舍去重叠的信息，又能更集中、更典型地表明研究对象的特征，还能避免大量的重复工作。 　　主成分分析方法的基本步骤是：(1)对原始指标进行标准化处理，以消除量纲不同的影响；(2)求无量纲后的相关系数矩阵R；(3)求R的特征值、特征向量和贡献率；(4)确定主成分的个数，按照特征值大于1以及累积贡献率(即主成分解释的方差占总体方差的比例)大于85%的原则提取主成分因子；(5)对主成分因子的意义作解释，一般由权重较大的几个指标的综合意义来确定；(6)求各主成分的得分并计算综合得分。 　　结论： 　　(l)根据锥形量热仪试验热烟毒数据计算出的无量纲聚合物材料燃烧指数，应用主成分分析方法得到的聚合物材料火灾危险性综合指数具有合理性，对阻燃剂阻燃性能的综合定量评价和不同聚合物材料的火灾危险性比较具有一定的指导作用；
　　(2)应用所提出的聚合物材料火灾危险性综合评价方法对4类聚合物材料16个样品的火灾危险性进行的综合定量评价表明，16个聚合物材料样品的火灾危险胜大小依次为3#、6#、4#、7#、2#、5#、9#和16#、8#和10#、13#、1#、11#、12#、14#、15#。ABS、PS、PVC、PA等4类聚合物样品的综合火灾危险性依次减小。