高分子材料火灾烟气毒性分析及其防烟措施(新版)

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高分子材料火灾烟气毒性分析及其防烟措施(新版)

Technical safety means that the pursuit of technology should also include ensuring that people

make mistakes

高分子材料火灾烟气毒性分析及其防烟措

施(新版)

随着科学技术和建筑业的飞速发展，高分子材料正以前所未有的速度改变和提高着人们的生活水平，被广泛使用在建筑装修、装修材料和家具制造中。但是，由于大多数高分子材料均属于易燃（B3级）或可燃（B2级）材料，在使用中遇到高温会分解燃烧且热释放速率高，极易引发火灾并产生大量有毒烟气，阻碍了人员安全疏散和消防部队的灭火救援行动，由此造成巨大的人员伤亡和经济损失。以2007年底为例，在不到3个月的时间里，全国就连续发生3起死亡10人以上的重、特大火灾：2007年10月21日，福建莆田一鞋面加工厂发生火灾，造成37人死亡；2007年12月12日，浙江温州温富大厦和广东东莞樟木头咖啡厅均发生火灾，分别造成21人和10人死亡。

国内外大量火灾案例表明，火灾死亡人数中70%-80%是直接受烟害中毒致死的，这些有毒烟气主要来自于高分子材料在火灾中的燃烧；其他被火烧死者中，大多数也是先被有毒烟气熏倒而后才被火烧死的[1]。因此，高分子材料火灾烟气的预防和控制，已成为当前消防部门急需研究解决的重大课题之一。本文从高分子材料的分类、烟气毒性、释放规律等方面入手，对此进行了初步探讨。

一、烟气的主要成分及毒性

烟气也叫烟雾，是可燃物质燃烧时产生的悬浮固体、液体粒子和气体的混合物，其粒径一般在0.01-10微米之间，它的成分和性质主要取决发生燃烧物质的化学组成和燃烧条件。人们常说：“风借火势，火借风威。”其实，对于火场中的被困人员而言，烟害更甚于火；在建筑失火时，火龙远未到达之处，无孔不入的烟气早已开始狂暴施虐了。由于在火灾中参与燃烧的物质和发生火灾的环境条件比较复杂，特别是高分子材料在建筑、装修及家具业中的广泛应用，其燃烧产生的大量有毒气体，使得火灾烟气的毒害性日趋严重，已经成为火场上导致人员死亡的最主要原因，被形象地称为“火场第

一杀手”。国内比较典型的案例有：1994年11月27日辽宁省阜新市艺苑歌舞厅火灾,死亡233人,伤16人；1994年12月8日新疆克拉玛依友谊馆火灾,死亡326人,伤134人；2000年12月25日河南省洛阳市东都商厦火灾,死亡309人。美国的统计资料显示，过去的四十年中,烟气吸入致死占火灾死亡总人数的70%-75%,而且该数字有上升的趋势[2]。

高分子材料的燃烧反应一般要经历聚合物链的高温分解和分解产物的燃烧反应，组成不同的高分子材料在高温下具有不同的分解方式，但结果都生成多种小分子碳氢化合物中间体而发生高温燃烧反应。实验结果表明，由于火场温度梯度大、氧气供应不足，高分子材料及其添加剂（如增塑剂、防老化剂、防腐剂、阻燃剂等）在燃烧过程中，常常发生不完全燃烧而产生大量的有毒气体，包括CO、C02、S02、NH3、CH4、HCN、HCl等，其中CO、C02、HCN是火灾中致人死亡的最主要的气体[3]。

CO对人体的危害主要取决于它在空气中的浓度及接触的时间，CO与红血球中血红素（蛋白）的结合能力是氧气的230-270倍（另

一数据200-300），会抢先与血红素结合而形成碳氧血红素（一氧化碳血红素，COHb），失去携氧能力，造成组织窒息。接触1h，安全的CO体积分数为0.04%-0.05%，人员疏散时CO体积分数不允许超过0.2%。但火灾起初阶段，CO在烟雾中的体积分数高达1%，发展阶段CO体积分数高达4%-5%，最高可以到10%，可以使人瞬间死亡[4]。

CO2本身仅在体积分数较高时才有显著的毒性，但低氧条件下毒性更为严重。空气中正常C02体积分数为0.03%。火场现场中C02体积分数可达15%-23%。动物实验表明，在正常含氧量（20%左右）条件下CO2体积分数升高，动物死亡率增加；在低氧（5%）的气体中，可使1/10的动物死亡；但如果在低氧（5%）条件下，含11%的CO2便可使动物于60min内全部死亡川[4]。

HCN（氰化氢）是所有氰化物中中毒最快、毒性最强的一种，它可以使人体缺氧，抑制人体中酶的生成，阻止正常的细胞代谢，造成机体组织内窒息。人吸入20-40mg/m3数小时后，出现轻微症状；吸入120-150mg/m3后，0.5-1小时死亡；当达到300mg/m3时，立即死去。同时，当氰化氢与一氧化碳同时存在时，两者的毒性呈相加

作用[5]。

此外，大量的烟气还会使火场中的含氧量低于人们生理正常所需的数值。在大部分火灾情况下,氧体积分数降低所起的作用与CO 相比是次要的。然而,对限定空间的火灾实验表明,缺氧的情况会在火灾中进一步发展,当氧的体积分数达到10%-15%时即为临界状态,低于此会对人员安全产生严重的影响；如果氧的体积分数低于6%时，段时间内就会使人员因重度缺氧而窒息死亡。同时，在缺氧的火灾环境下,CO的含量将会增加,此时血液中的氧会在双重缺氧状况下，这种缺氧状态加之火灾产生的热、烟和其他气体的毒害作用，可能会造成人体更为严重的危害[3]。

二、烟气的释放规律

热解和不完全燃烧是高分子材料在火灾中产生有毒气体的两种途径。大量的研究表明，火灾中有毒气体的释放速率和总量除了取决于燃烧温度外，还与高分子材料是否阻燃有关。下面我们以聚氨酯泡沫塑料为例，就高分子材料火灾烟气的释放规律进行分析：聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称，是由异氰酸酯与多元醇反应制

成的一种具有氨基甲酸酯链段（－NH－CO－O－）重复单元结构的高分子聚合物。泡沫塑料是聚氨酯合成材料的主要品种之一，它的主要特征是具有多孔性，因而相对密度小、比强度高，而根据所用原料和配方的不同，又可制成软质、半硬质和硬质聚氨酯泡沫塑料。根据实验结果显示[6]，聚氨酯一般在150～300℃开始热解，其产物主要是一氧化碳和氰化氢；在缺氧情况下，800℃裂解时还可产生二氨基甲苯、乙腈、丙烯腈、吡啶和苯腈等有毒气体。以软质聚氨酯泡沫（海绵）为例，由于自身比表面积大、对氧吸附性较强、热稳定性差，因而当温度高于60℃时就会发生软化，温度高于160℃时即分解自燃，遇明火或炽热火焰时，就直接着火燃烧并释放出浓烟和毒气。而以硬质PAPI系泡沫为例，HCN（氰化氢）发生量最高温度约为500℃，在这温度以上，由于HCN自身可燃将着火燃烧，就会使HCN气体发生量降低；反之，温度低于500℃左右时，HCN的发生量就随温度的上升而增加。

另外，实验结果还表明[7]，经过阻燃处理的块状软质聚氨酯泡沫一旦发生燃烧，其有毒气体释放的速率和总量要比未经过阻燃处