聚氯乙烯 (PVC) 塑料地板作为PVC在建筑方面的应用, 是当今世界非常流行的一种高科技铺地材料[1], 使用极其广泛, 比如室内家庭、医院、学校、办公楼、、工厂、公共场所、超市、商业、体育场馆等各种场所。目前国内外对PVC地板多方面的性能展开了研究, 如李玲利等人对多层复合PVC地板和均质PVC地板的相关性能进行研究比较, 结果表明:复合PVC地板的加热尺寸变化率一般优于均质PVC地板[2]。H Guo等人研究了PVC地毯总挥发性有机物在室内的浓度、挥发速率与时间之间的关系, 提出了一种双指数模型对PVC地毯相关参数进行预测, *后通过实验验证该模型的可行性[3]。A William等人研究比较了PVC地板与其他材料地板的阻燃性能, 结果表明PVC地板的阻燃性能较好[4]。A.A.Stec等人对PVC地毯在燃烧过程中释放的有毒有害气体进行测试研究, 主要测试不同燃烧条件下的一氧化碳, 二氧化碳, 氯化氢, 多环芳香烃等浓度[5]。目前尚未发现对PVC地板燃烧烟密度 (烟雾浓度) 测试进行研究, 而烟密度在火灾中对人的影响不可忽视。

目前国内外建筑材料燃烧烟密度测量主要有两种方法:一种是锥形量热仪, 是根据氧耗原理设计的测定材料燃烧放热的仪器[6], 其对烟密度的测量主要是采用氦一氖激光束测定烟释放动态过程中的消光系数, 进而推算出单位质量挥发物转换成烟的比率[7], 主要用于测试材料的引燃时间、热释放速率等。一种是JCY-2型建筑烟密度测试仪, 是根据消光原理来测量材料燃烧烟密度值, 即通过测出光在入射烟雾场之前的光强与通过烟雾场后的光强, 再由Lambert-beer定律来推算出烟密度值[8]。以上两种烟密度测量方法虽然应用较为广泛, 但也存在一些问题: (1) 锥形量热仪采用热辐射给试样加温, 当达到试样燃点时就会燃烧起来, 它无法代表火灾前期由于存在明火而快速生烟的情况; (2) JCY-2型建筑烟密度测试仪在测试过程中, 由于烟气颗粒会下沉, 部分烟气无法测试到, 因此与实际值存在一定的误差; (3) 以上两种方法的标准试样均是长宽为100*100 (mm) , 因此在PVC地板时无法体现火焰在蔓延过程中对烟密度值得影响。

热辐射源法[9]主要用于铺地材料, 如尼龙、木地板、聚合材料地板等火焰蔓延以及辐射通量的测试, 其特点是: (1) 明燃与阴燃结合的方式进行产烟, 与火灾实际情况非常相似; (2) 辐射热源法是对铺地材料成品进行测试, 试样由实际的铺地材料拼成, 更能代表火灾实际情况; (3) 使用辐射热源法测试烟密度时, 采用的是抽取测试的方法, 确保了所产生的烟气均能被测到, 因此在铺地材料的测试中得到广泛应用[10]。基于以上特点, 本文尝试将热辐射源法引入聚合物铺地材料烟密度的测试中, 并开展方法重现性研究。

1 测试机理

烟雾颗粒对光强有很大的影响, 一方面通过吸收, 另一方面通过散射使光产生衰减现象, 因此光强前后的变化与烟雾颗粒浓度之间存在一定的关系。Baron和Willeke就烟雾对光强衰减作用进行了理论推导, 其过程介绍如下[11]:

在电磁理论中严格指出, 在平行光遇到烟雾时, 会发生粒子对光的吸收和散射的物理现象, 这种现象会使得平行光束产生衰减效应。光的衰减效应是无数个烟雾颗粒共同作用的结果, 这里做了个假设, 单个粒子相互之间没有影响, 总效应是所有粒子效应的总和。a为单体的粒径参数, m为单体的折射率, EX (a, m) 表示单粒子消光系数, 那么可以用EX (a, m) 描述消光效应, 该系数可以由电磁理论计算得出。单粒子使光强度为I0的光束能量的减少量用光能量-ΔPλ表示, 则有:

在基于瑞利或偶极的近似过程中, 消光系数由吸收分量和散射分量两部分组成, 如下式:

其中, Im为虚数部分;消光的吸收分量大小由第一项表示;消光的散射分量大小由第二项表示。

在经典光学中, 当粒子参数 (30) 1时, 消光系数EX (a, m) =2, 由式 (2) 可知, 消光系数有两方面的贡献, 一方面是粒子边缘对光的消光作用;另一方面是粒子对光的反射、折射及吸收的作用。这两方面的贡献是等价的, 即每一方面的贡献都为1。然而消光系数的实际测量值EX (a, m) <2, 这是因为探测单元存在有限孔径角θ, 因此部分散射光会被收集而使得消光系数的实测值变小, 孔径角对散射光的收集如式 (3) 所示:

以上是单粒子的消光特性, 对所有粒子的消光整体特性而言, 当单频平行入射光强为I0, 波长为λ穿过均匀混合物, 假设均匀混合物的特征参数为cn和f (dp) , 其中cn表示混合物的数量浓度, f (dp) 表示粒径分布函数, 则光束能见度T可表示为:

式中L为有效光程, 因此可以推导出消光系数K为:

根据多分散性气溶胶相关理论, 可以推导出烟雾颗粒的质量浓度[12], 如式 (6) 所示:

Ms (28) 6cnp0f (d p) d p3ddp (6)

式中, ρp表示烟雾场中粒子密度。若在测量中粒子密度ρp和粒子粒径分布函数f (dp) 保持恒定, 那么就可以得到烟雾质量浓度Ms与数量浓度cn之间的一一对应关系式, 再由式 (5) 可以推导出烟雾质量浓度Ms与消光系数K的关系式如式 (7) :

由式 (4) 至 (7) 可以得到烟雾浓度与光衰减之间的定量关系, 只需通过光电池将经烟雾场后的光强测出, 并与射入光强进行比较可推算出该烟雾场浓度。

2 测试装置

2.1 机械结构

图1 测试装置机械结构Fig.1 The mechanical structure of detect device   

热辐射源法PVC地板烟密度测试装置机械结构主要由箱体、辐射板、试样夹具、烟气集中道、抽风装置、光学结构等组成, 如图1所示:

由图1中可知系统测试装置由产烟装置 (图中6、7、8、9) 中的辐射黑体、试样、点火器通过热辐射和点火器燃烧试样的方式, 使得试样燃烧或热分解进而产生烟气, 然后通过抽风系统 (图中2) 将所产生的烟气向外抽取进入烟气集中区, 再通过光电测量系统 (图中1、3) 对所通过的烟气量进行测量图中4、5代表燃烧箱体、10代表自然空气入口。

2.2 硬件结构

测试装置硬件部分主要是实现光强比与烟雾浓度值间关系的转换, 并通过一系列的信号处理*后传输到上位机。硬件电路主要包括光电传感器、整流滤波电路、除法运算电路、放大电路, 其结构如图3所示:输入光I0经过凸透镜平行进入烟雾测试区, 经过凸透镜将输出光线汇集进入光电传感器得到对应的电压值U1, 输入输出光强对应的电压值通过除法运算电路得到U1/U0值, *后放大传输到上位机。

2.3 测试装置

基于上述测试机理、硬件及结构设计搭建起热辐射源法PVC地板燃烧烟密度测试装置, 测试装置主要包括四大部分:燃烧部分、检测部分、控制部分以及显示部分, 其中燃烧部分包括辐射板、点火器以及燃烧装置等、检测部分主要是烟道检测装置及系统等、控制部分主要是燃气空气控制台等、显示部分即上位机。测试装置工作基本流程包括以下三点: (1) 将电脑与试验设备线连接好, 检查无误后接通仪器及电脑电源, 打开电脑进入测试装置的操作界面;连上空气与燃气并打开进气, 开启抽风系统。然后对测试装置进行校准; (2) 通过控制面板开启点火器和辐射板, 并保持预热至少1 h, 直至箱体温度和黑体温度稳定在误差范围内; (3) 将试件安装在试件夹上送入测试装置内部, 按下试验框里的“试验”按键启动试验, 试验应在30 min后结束。

3 热辐射源法PVC地板烟密度测试系统重现性实验

重现性是测试系统一个非常重要的指标, 热辐射源法测试PVC地板烟密度是一种较新的方法, 前文已完成了测试装置的研制, 接下来需要对所研发的测试系统重现性能进行研究。

基于辐射源法PVC地板烟密度测试系统重现性主要是指:在相同的试样、相同的实验条件下, 重复进行6次实验, 6次实验的结果的重现性。PVC地板测试指标主要有:*大烟密度值、和单位长度产烟量。

实验材料是自主研制的PVC地板, 通过均匀混合、匀速挤压等一系列工艺研制得来, 六块材料的密度、成分及其含量百分比一致, 长×宽×厚尺寸为1050 mm×230 mm×11 mm, 每一块试样均由三块小试样拼接而成, 代表实际建筑地板的铺设情况, 如图7所示:实验过程包括: (1) 调节系统参数, 并始终保持不变; (2) 每一块试样在实验前必须等设备温度降低到室温然后再进行 (1) 步骤; (3) 对比分析6次实验结果的一致性。

实验结果如图3所示:横坐标表示试验时间, 纵坐标表示瞬时烟密度值, 曲线围城的面积为烟气总量, 曲线的*大值为*大烟密度值。6次实验指标如表1所示, 6次单位长度生烟率如图4所示。

图2 测试系统电路结构Fig.2 The circuit structure of detect system   下载原图

图3 实验烟密度曲线图 (n=6) Fig.3 The graph of experimental smoke density (n=6)   下载原图

表1 6次实际实验指标Tab.1 Experimental data of practical experiment     下载原表

图4 单位长度生烟率比较 (n=6) Fig.4 Comparison of smoke production rate of per length   下载原图

参考ASTM_E_662-2006《由固体材料产生的烟雾的比光密度标准试验方法》[13]标准, 这里重现性主要围绕着指标的变异系数 (标准偏差) 与*大偏差来讨论。由图4可以看出, 单位长度生烟率存在一定的波动, 这是因为在实验过程中, 材料由于受热一方面变软, 另一方面收缩, 使得试样在燃烧过程中翘起, 翘起的试样与点火器火焰、空气的接触面积更大, 燃烧程度更高, 因此所产生的烟气总量更大。材料在实验过程中由于受热不可避免会发生变形, 传统烟密度测量方法均采用小尺寸试样进行试验, 而无法体现成品PVC地板变形对烟密度的影响, 因此与实际误差更大。其中第4次实验波动性比较大, 主要是因为夹具没有固定紧, 使得试样因变形而与夹具分离, 属操作误差。根据相关实验处理方法可知, 实验结果必须剔除。单位长度生烟率的平均值、上偏差 (R1上) 、下偏差 (R1下) , 变异系数 (S1) 计算如下:

由以上的计算结果可知, 单位长度生烟率在平均值2.38上下波动, 波动的范围是8.6%, 波动的上限为3.7%, 波动下限为4.9%, 即比平均值小的概率比较大, 变异系数采用贝塞尔公式来计算, 得出S1为0.2, 大约为平均值的8.4%, 表示单位长度生烟率在平均值附近的分散程度。*大烟密度值如图5所示:

图5 *大烟密度值比较 (n=6) Fig.5 Comparison of maximum smoke density (n=6)   下载原图

同上分析, 计算*大烟密度值Dm的变异系数S2, 偏差R2:

由以上6次实验分析计算可知, 基于热辐射源法PVC地板烟密度测试系统测得的*大烟密度值方差为1.0, 上下波动范围为-2.5%~2.8%, 与ASTM_E_662-2006《由固体材料产生的烟雾的比光密度标准试验方法》[24]标准给出的聚合物地板材料重现性测试结果比较, 提高了60%。

4 实验结论

本文针对PVC地板燃烧烟密度的测试需求, 提出一种基于热辐射源法的测试方法, 并研制出PVC地板燃烧烟密度测试装置, 进而通过实验研究系统重现性能, *后以方差大小来表示:结果表明基于辐射热源法PVC地板烟密度测试仪重现性良好, *大烟密度值的方差为1.0, 单位长度生烟率方差为0.2。相对于ASTM_E_662-2006中聚合物地板材料重现性方差提高60%。

基于热辐射源法的PVC地板燃烧烟密度测试方法考虑到了大尺寸试样受热变形以及试样拼接对烟密度的影响, 与传统烟密度测试方法比较, 更适合于类似PVC地板成品建筑材料燃烧烟密度的测试。