模拟火灾中阻燃木质材料的有害烟气成分及其毒性预测研究

GB8624《建筑材料及制品燃烧性能分级》国家标准规定，建筑材料及制品的产烟毒性必须达到ZA3级。目前绝大部分含有胶粘剂的阻燃木质材料，特别是磷氮系阻燃剂处理的木质材料，其烟气毒性无法满足国家标准最低安全限制的规定，这是制约阻燃木质材料在建筑领域应用的主要问题之一。本项目以锥形量热仪燃烧试验模拟真实火灾，借助红外光谱、气质联用等分析仪器，定性定量地研究阻燃木质材料在模拟火灾中释放出的有害烟气成分，同时按照国家标准方法评价阻燃木质材料产烟毒性。通过探讨阻燃木质材料有害烟气成分与其毒性的相关性，构建模拟火灾条件下阻燃木质材料燃烧有害烟气成分与毒性关系的初期数学模型，同时建立一套有关木质材料科学的烟气采集及解析评价方法，为今后阻燃木质材料烟气毒性研究提供更接近真实火灾且简便的试验方法。本研究结果对促进提高木质材料的火灾安全性，保障建筑及公共交通工具等在火灾中的烟气毒性安全具有指导意义。

项目以锥形量热仪模拟火灾环境，借助分析仪器研究木质材料燃烧释放出的有害烟气成分，建立基于锥形量热仪法的有害烟气成分分析方法并构建模拟火灾条件下的有害烟气成分与毒性关系的数学模型。基于锥形量热仪法的有害烟气成分分析方法是项目的重点内容，确立了锥形量热仪为燃烧装置，采样管或溶剂吸收的烟气以及石英滤纸和玻璃纤维棉过滤的烟尘采集方法等内容。项目探讨了国产主要工业用材树种及建筑材料燃烧过程中发烟及烟气温度变化规律：1）材料间发烟有一定差异但规律一致，以“强-弱-强-弱”模式发生和发展。其中，针叶材发烟量大于阔叶材，中密度纤维板发烟量大于实体木材和胶合板；2）氨基树脂对发烟影响较小，而磷氮阻燃剂在低辐射强度下对发烟贡献较大，而高辐射强度下的发烟有所降低；3）磷氮阻燃剂的阻燃作用可以降低烟气温度。氨基树脂、磷氮阻燃剂对有害烟气成分的影响是项目另一个重点研究内容。研究结果表明：1）氨基树脂对CO和CO2产率影响不大，而磷氮阻燃剂可以降低CO2产率但提高了CO产率；2）对于含磷氮阻燃剂的材料，高辐射强度下CO2产率提高而CO产率降低；3）低辐射强度使CO产率提高，具有较高的CO/CO2比值；4）氨基树脂和磷氮阻燃剂使HCN和NOx产率明显提高，但低辐射强度下阻燃剂使NOx产率大幅度降低，甚至低于实体木材；5）氨基树脂和磷氮阻燃剂对HCN产率的影响远大于热源辐射强度；6）高辐射强度下实体木材的HCN产率提高，而含有氨基树脂和磷氮阻燃剂的材料低辐射强度下的HCN产率略有提高；7）对木材及含有氨基树脂和阻燃剂的材料烟气中的25种VOCs进行检测，产率依次为75.82 mg/kg、75.50 mg/kg、104.82 mg/kg，氨基树脂对VOCs产率无明显影响，而阻燃剂影响显著；8）25种VOCs中芳香系VOC 13种，氯代烃类VOC 12种，对应于各材料，芳香系VOC产率依次为71.32 mg/kg、70.30 mg/kg、98.07 mg/kg，氯代烃类VOC产率依次为4.50 mg/kg、5.20 mg/kg、6.76 mg/kg，阻燃剂使芳香系 VOC产率明显增加。项目基于有害烟气成分分析结果建立了FED模型，并对材料烟气毒性进行定量评价，发现阻燃剂的加入使材料毒性增加4-5倍。另外，还探讨了氢氧化铝和硼化物对抑制木质材料发烟的有效性。