《阻燃材料與技術》課件 第1講 緒論

《阻燃材料與技術》第1章

緒論第一章

緒論本節(jié)學習目標：教學要求：認識和掌握火災的危害、分類和特點、常見原因及發(fā)生與發(fā)展規(guī)律，掌握建筑阻燃材料的分級評價方法，了解阻燃技術的研究進展和發(fā)展趨勢。重點與難點：火災的發(fā)生與發(fā)展以及阻燃材料分級評價方法。1.1.1火災的危害“就世界的解放作用而言，摩擦生火還是超過了蒸汽機。因為摩擦生火第一次使得人支配了一種自然力，從而最后與動物界分開?！薄鞲袼?.1.1火災的危害燃燒在時間或空間上失去控制則會造成火災。在各種災害中，火災是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一。年份火災發(fā)生次數(shù)/萬起死亡人數(shù)/人受傷人數(shù)/人直接經(jīng)濟財產(chǎn)損失/億元火災發(fā)生率/起每十萬人口火災死亡率/人每百萬人口202282.52053212271.658.4145.4202174.81987222567.553.0140.7202025.2118377540.117.883.8201923.3133583736.116.695.4201823.7140779836.817.0100.8201728.1139088136.020.2100.0201631.21582106537.222.6114.4201533.81742111239.524.6126.7201439.51817149343.928.9132.8201338.92113163748.528.5154.5表12013-2022年我國火災事故統(tǒng)計1.1.1火災的危害燃燒在時間或空間上失去控制則會造成火災。在各種災害中，火災是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一。造成經(jīng)濟損失破壞文明成果明歷三年正月十八，日本江戶發(fā)生大火，造成10.7萬人葬身火海5·6大興安嶺特大森林火災造成直接經(jīng)濟損失5億多元，間接損失69.13億元危害生命健康安全4·15巴黎圣母院火災給法國、歐洲，乃至世界造成了無法挽回的文化損失1.1.1火災的危害燃燒在時間或空間上失去控制則會造成火災。在各種災害中，火災是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一。破壞生態(tài)環(huán)境影響社會穩(wěn)定2021年，科威特一堆積5200萬條廢棄輪胎的垃圾場失火，釋放出大量硫化物和致癌物，嚴重危害生態(tài)環(huán)境9·11事件是美國歷史上最為嚴重的恐怖攻擊行動，美國民眾對經(jīng)濟及政治上的安全感被嚴重削弱1.1.1火災的危害2022年3月，火災科學國家重點實驗室主任劉乃安教授在中國科技大學第六屆墨子·云論壇對火災防治的重要性進行闡述。1.1.1火災的危害

英國格倫費爾大廈發(fā)生火災2022年9月16日長沙電信大樓火災11·15上海靜安區(qū)高層住宅大火2·9中央電視臺大火事件1.1.1火災的危害2017年6月14日凌晨，位于倫敦肯辛頓區(qū)一棟24層公寓突發(fā)大火，導致71人喪生。當?shù)孛襟w報道稱，這是英國自二戰(zhàn)結束以來死亡人數(shù)最多的一場火災。1.1.1火災的危害按照可燃物的類型和燃燒特性分類：根據(jù)不同的需要，火災可以從不同的角度進行分類，如按照可燃物的類型和燃燒特性、損失嚴重程度和發(fā)生場景等進行分類?；馂姆诸惷枋雠e例A類火災固體物質(zhì)火災木材及木制品、棉、毛、麻、紙張、糧食等物質(zhì)火災B類火災液體或可熔化的固體物質(zhì)火災汽油、煤油、原油、甲醇、瀝青、石蠟等物質(zhì)火災C類火災氣體火災煤氣、天然氣、甲烷、乙烷、氫氣、乙炔等氣體燃燒或爆炸發(fā)生的火災D類火災金屬火災鉀、鈉、鎂、鈦、鋰、鋁鎂合金等金屬火災E類火災帶電火災變壓器、家用電器、電熱設備等電氣設備以及電線電纜等帶電燃燒的火災F類火災烹飪器具內(nèi)烹飪物（如動植物油脂）火災烹飪器具內(nèi)的動植物油脂火災1.1.2火災的分類和特點按照損失嚴重程度分類：根據(jù)不同的需要，火災可以從不同的角度進行分類，如按照可燃物的類型和燃燒特性、損失嚴重程度和發(fā)生場景等進行分類。指標火災等級死亡人數(shù)重傷人數(shù)直接經(jīng)濟損失特別重大火災死亡人數(shù)≥30人重傷人數(shù)≥100人直接經(jīng)濟損失≥1億元重大火災10人≤死亡人數(shù)<30人50人≤重傷人數(shù)<100人5000萬元≤直接經(jīng)濟損失<1億元較大火災3人≤死亡人數(shù)<10人10人≤重傷人數(shù)<50人1000萬元≤直接經(jīng)濟損失<5000萬元一般火災死亡人數(shù)<3人重傷人數(shù)<10人直接經(jīng)濟損失<1000萬元按照發(fā)生場景分類：建筑火災、交通工具火災、石油化工火災、歷史文物建筑火災、森林草原火災、海上油井火災等。1.1.2火災的分類和特點火災發(fā)生的原因主要有電氣、生產(chǎn)作業(yè)不慎、生活用火不慎、吸煙、玩火、自燃、雷擊、放火等。2021年我國火災原因分布情況1.1.3火災發(fā)生的常見原因電氣電氣火災既涉及電氣設備設計、制造及安裝，也與設備投入使用后的維護管理、安全防范等相關，其中電線短路故障、過負荷用電、接觸不良、電氣設備老化故障等是造成電氣火災的主要原因。生產(chǎn)作業(yè)不慎生產(chǎn)作業(yè)不慎主要指生產(chǎn)作業(yè)人員違反生產(chǎn)安全制度及操作規(guī)程而引起的火災。如在易燃易爆的車間內(nèi)動用明火，引起爆炸起火；將性質(zhì)相抵觸的物品混存在一起，引起燃燒爆炸等。生活用火不慎生活用火不慎主要指居民家庭生活用火不慎，包括照明不慎、烘烤不慎、敬神祭祖、炊事用火不慎、蚊香使用不慎、爐具故障及使用不當?shù)纫l(fā)火災。吸煙煙蒂和點燃煙后未熄滅的火柴梗溫度可達到800℃，遠高于紙張、棉花等一般可燃物的燃點，極易引起可燃物燃燒。例如，在商場、石油化工廠、汽車加油加氣站等具有火災、爆炸危險的火災高危場所違章吸煙極易引發(fā)火災。1.1.3火災發(fā)生的常見原因玩火玩火引發(fā)的火災在我國每年都占一定比例，其中未成年人玩火取樂是引發(fā)火災的常見原因之一。燃放煙花爆竹也屬“玩火”范疇，我國每年春節(jié)期間70~80%火災是由燃放煙花爆竹所引起的。雷擊雷擊能在短時間內(nèi)將電能轉(zhuǎn)變成機械能、熱能，并產(chǎn)生各種物理效應，對建筑物、電氣設備等破壞巨大，極易引起火災和爆炸事故。例如，雷擊時產(chǎn)生數(shù)萬至數(shù)十萬伏電壓，足以燒毀電力系統(tǒng)的發(fā)電機、變壓器、斷路器等設備，造成絕緣擊穿而發(fā)生短路，引起火災或爆炸事故；雷擊產(chǎn)生巨大的熱量，可以使金屬、混凝土構件、磚石表層等熔化，造成可燃物燃燒起火。放火放火主要是指采用人為放火方式蓄意制造火災的行為。這類火災為當事人故意為之，通常經(jīng)過一定的策劃準備，因而往往缺乏初期救助，火災發(fā)展迅速，后果嚴重。常見的放火動機有報復、獲取經(jīng)濟利益、掩蓋罪行、尋求精神刺激、對社會和政府不滿、精神病患者放火、自焚等。1.1.3火災發(fā)生的常見原因火災是指在時間和空間上失去控制的燃燒所造成的災害，而燃燒是可燃物與氧化劑之間發(fā)生的一種化學反應。視頻：Whatisfire？

火災是失去控制的燃燒現(xiàn)象，而燃燒的發(fā)生和發(fā)展，必須具備三個必要條件即燃燒的三要素：可燃物、助燃物和點火源。1.1.4火災的發(fā)生與發(fā)展點火源凡是能引起物質(zhì)燃燒的點燃能源，稱為點火源。在一定條件下，各種不同可燃物只有達到一定能量才能引起燃燒?？扇嘉锓彩悄芘c空氣中的氧或其他氧化劑起燃燒反應的物質(zhì)，稱為可燃物，按其物理狀態(tài)可以分為氣體可燃物、液體可燃物和固體可燃物。助燃物凡是與可燃物結合能導致和支持燃燒的物質(zhì)，稱為助燃物。多為含碳和氫的化合物，某些金屬在一定條件下也可以燃燒，如鎂、鋁、鈣等。如高錳酸鉀、氯氣、過氧化鈉、氯酸鉀等物質(zhì)可以作為燃燒反應的氧化劑。如明火、電弧、電火花、雷擊、高溫、自燃引火源等均可以作為燃燒反應的點火源。1.1.4火災的發(fā)生與發(fā)展即使具備了以上三要素并且相互結合、相互作用，燃燒也未必發(fā)生。要發(fā)生燃燒，以上三個要素還必須達到一定的量，如點火源需要達到足夠的熱量和溫度，助燃物和可燃物也需要有一定的濃度或數(shù)量。燃燒能發(fā)生時，三要素之間形成了封閉的三角形，即著火三角形。燃燒三要素都存在燃燒一定能發(fā)生嗎？1.1.4火災的發(fā)生與發(fā)展自由基，也稱為游離基，是一種高度活潑的化學基團，能與其他自由基和分子發(fā)生反應，從而使燃燒按鏈式反應的形式擴展。多數(shù)燃燒反應不是直接進行的，而是通過自由基團和原子這些中間產(chǎn)物瞬間進行的循環(huán)鏈式反應。自由基的鏈式反應是這些燃燒反應的實質(zhì)，光和熱是燃燒過程中的物理現(xiàn)象。燃燒三要素是燃燒的必要非充分條件！因此，完整地論述，大部分燃燒發(fā)生和發(fā)展需要四個必要條件，即可燃物、助燃物、點火源和鏈式反應自由基，燃燒條件可以進一步用著火四面體來表示。1.1.4火災的發(fā)生與發(fā)展火災的發(fā)展對建筑火災而言，燃燒最初發(fā)生在室內(nèi)的某個房間或某個部位，然后由此蔓延至相鄰的房間或區(qū)域，以及整個樓層，最后蔓延到整個建筑物。室內(nèi)火災發(fā)展過程大致可分為初期增長階段、成長發(fā)展階段、猛烈燃燒階段和衰減熄滅階段。1.1.4火災的發(fā)生與發(fā)展火災的發(fā)展初期增長階段火災發(fā)生后，最初僅起火部位及周圍可燃物小范圍著火燃燒，此時燃燒面積較小，局部溫度較高，室內(nèi)溫度分布不均勻，平均溫度低，火災發(fā)展較慢，供氧相對充足，火勢不穩(wěn)定，燃燒狀況與敞開環(huán)境燃燒類似。受可燃物性能、分布和通風、散熱等條件的影響，燃燒的發(fā)展大多比較緩慢，可能會出現(xiàn)下列三種情況：最初著火的可燃物燃盡而火災終止；通風受限，火災將自行熄滅或以緩慢繼續(xù)燃燒；存在足夠可燃物且通風良好，火災將迅速成長發(fā)展。1.1.4火災的發(fā)生與發(fā)展火災的發(fā)展成長發(fā)展階段建筑火災持續(xù)燃燒一定時間后，燃燒范圍不斷擴大，溫度升高，燃燒熱對流和熱輻射顯著增強，室內(nèi)可燃物在高溫作用下，不斷受熱分解出可燃氣體。當房間內(nèi)溫度達到400~600℃時，室內(nèi)絕大部分可燃物起火燃燒，這種在限定空間內(nèi)可燃物的表面全部卷入燃燒的瞬變狀態(tài)，即為轟燃。但需要注意的是，不是每場火災都會出現(xiàn)轟燃，大空間建筑、比較潮濕的場所就難以發(fā)生轟燃。1.1.4火災的發(fā)生與發(fā)展火災的發(fā)展猛烈燃燒階段轟燃發(fā)生后，室內(nèi)可燃物全面燃燒，并進入猛烈燃燒階段。此階段中，可燃物熱釋放速率升高，并出現(xiàn)持續(xù)高溫，可達800~1000℃，火焰和高溫煙氣在火風壓作用下，會從房間的門窗、孔洞等處大量涌出，沿走廊、吊頂迅速向水平方向蔓延擴散。同時，由于煙囪效應，火勢會通過豎向管井等向上蔓延。在火災作用下，室內(nèi)設備機械強度降低，構件開始變形坍塌。此時，火災救援工作開展較為困難，往往需要組織大批的滅火救援力量，甚至付出較大代價，才能控制火勢、撲滅火災。1.1.4火災的發(fā)生與發(fā)展火災的發(fā)展衰減熄滅階段在猛烈燃燒階段后期，隨著室內(nèi)可燃物數(shù)量減少，火災燃燒速度減慢，燃燒強度和溫度逐漸降低。一般而言，室內(nèi)平均溫度降到溫度最高值的80%時，可以認為火災進入衰減熄滅階段。但需要注意的是，在該階段前期，燃燒仍十分猛烈，火場的高溫余熱仍能維持一段時間。當可燃物全部燒光之后，火場室內(nèi)外溫度趨于一致，火勢即趨于熄滅。1.1.4火災的發(fā)生與發(fā)展1.2材料燃燒與阻燃可燃材料具有潛在的火災危險性，包括熱傷害（燃燒釋放的熱量）和非熱傷害（煙氣和毒性）?；馂闹幸蛑舷⒑蜔煔庵卸驹斐傻娜藛T傷亡可占火災總傷亡人數(shù)的80％以上。減少可燃材料熱和非熱災害防火阻燃及滅火技術——根本

熱傷害可燃物的燃燒火災危害非熱傷害可燃物體通過特殊方法處理后，材料本身具有防止、減緩或終止燃燒的性能阻燃防火采用某種方法使可燃物體在受到火焰侵襲時不會快速升溫而遭到破壞防火和阻燃是兩回事，但目的都是使燃燒終止通過在物體中加入阻燃劑來實現(xiàn)采用在被保護物體表面涂覆難燃物質(zhì)（如防火涂料）來實現(xiàn)難燃物質(zhì)中通常也加入了阻燃劑或防火助劑從這一角度看，防火阻燃原理是類似的初期增長階段成長發(fā)展階段轟燃猛烈燃燒階段衰減熄滅階段表面和內(nèi)部熱分解及熱氧化分解產(chǎn)物與火焰反應建筑物火災抵抗力時間溫度防火阻燃主要作用于“初期增長階段”和“成長發(fā)展階段”1.2材料燃燒與阻燃阻燃技術使得火災中的逃生成為可能！阻燃技術的使用抑制了終端產(chǎn)品的著火，延緩了火災壯大和蔓延的速度，大大提高了人員逃生的幾率。相關阻燃產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)家和獨立的火災安全監(jiān)督機構通過大量的測試所證實。按照英國帶軟墊家具火災管理條例通過實驗比較由未阻燃材料制造的沙發(fā)椅和阻燃材料制造的沙發(fā)椅。采用30千瓦的煤氣火焰點燃座椅。未阻燃的沙發(fā)椅在2分鐘內(nèi)熾烈燃燒，而阻燃的沙發(fā)椅需要經(jīng)過22分鐘才能達到同樣的危險等級。1.2材料燃燒與阻燃1.2材料燃燒與阻燃材料火焰?zhèn)鞑ニ俣葻熋芏任醋枞疾牧螦阻燃材料B然而，部分情況下聚合物在阻燃處理后，燃燒產(chǎn)生的煙和有毒氣體不降反升，因此人們有時認為阻燃處理反而會使聚合物的火災危險性增加。但這類實驗結果一般為材料單位質(zhì)量或單位面積燃燒所產(chǎn)生的煙或有毒氣體的量，而實際火場中形成的煙和有毒氣體的總量還與燃燒材料總量有關。因此，阻燃材料的煙密度及毒性指數(shù)不一定比同類未阻燃材料高，而材料的火焰?zhèn)鞑ニ俾始盁後尫潘俾蕜t因阻燃劑的使用而大幅度降低。燃燒性能等級AB1B2B3名稱不燃材料（制品）難燃材料（制品）可燃材料（制品）易燃材料（制品）GB8624-2012GB8624-2006GB8624-1997GB8624-88燃燒性能測試參數(shù)點燃性能焰尖高度、氧指數(shù)、引燃或陰燃現(xiàn)象火焰?zhèn)鞑バ匀紵鲩L速率指數(shù)、損毀長度、續(xù)燃時間、陰燃時間、垂直燃燒性能、平均燃燒時間、平均燃燒高度熱釋放性能總熱值、臨界熱輻射通量、600s內(nèi)總放熱量、單位面積熱釋放速率峰值、熱釋放速率峰值、5min內(nèi)總熱釋放量、10min內(nèi)總熱釋放量生煙性能煙密度等級、最大煙密度耐火性能爐內(nèi)溫升、質(zhì)量損失率、持續(xù)燃燒時間1.2材料燃燒與阻燃Thescienceofflameretardancy阻燃科學的定義：是研究如何使可燃物質(zhì)變得不能點燃或難以點燃、降低燃燒擴散速度、減少燃燒過程中的發(fā)煙量和毒氣生成量及其相關機理的一門科學。研究對象：一切需要阻燃的可燃物質(zhì)。1.3阻燃技術的發(fā)展簡介1.3.1早期阻燃技術發(fā)展簡介重要研究進展時間硫酸鋁鉀阻燃處理木材約450年BC硫酸鋁鉀和醋的混合物阻燃處理木材約200年BC粘土和石膏混合物用于阻燃劇院窗簾1638年礬液、硫酸亞鐵和硼砂阻燃處理木材和織物1735年硫酸鋁鉀用于降低氣球的可燃性1783年磷酸銨、氯化銨和硼砂的混合物阻燃處理大麻和亞麻1821年錫酸鈉和硫酸銨阻燃處理棉花1913年采用磷酸酯或磷酸鹽將纖維素羥基部分酯化以賦予織物阻燃性，尤其是美國生產(chǎn)的三聚氰胺-甲醛-磷酸酯衍生物現(xiàn)仍被應用如織物阻燃領域。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國以四羥甲基氯化磷作為纖維素阻燃劑，英國在此基礎上開發(fā)了Proban棉纖維阻燃處理工藝。1.3.2近代阻燃技術發(fā)展簡介耐久型阻燃織物20世紀30年代，美國研發(fā)了以氧化銻和氧化鈦處理織物的耐久阻燃工藝。人們還利用纖維素內(nèi)的活性羥基，通過化學方式提高了纖維制品阻燃耐久性。1.3.2近代阻燃技術發(fā)展簡介氯化石蠟/氧化銻協(xié)同阻燃體系第二次世界大戰(zhàn)期間，軍隊對阻燃、防水帆布帳篷的需求，促進了含氯化石蠟/氧化銻阻燃體系的發(fā)展。這類阻燃體系首次確定了鹵-銻協(xié)同效應，并采用有機鹵化物來替代無機鹽以阻燃處理聚合物。鹵-銻協(xié)同效應的發(fā)現(xiàn)被譽為阻燃化學的一個里程碑，對現(xiàn)代阻燃技術的發(fā)展具有深遠的影響，至今仍是阻燃領域內(nèi)極其活躍的研究熱點。反應型阻燃劑在實際使用過程中人們發(fā)現(xiàn)，氯化石蠟的加入不僅會惡化不飽和聚酯層壓板的物理性能，還會出現(xiàn)阻燃劑溢出、阻燃性降低等問題。20實際50年代初期，美國研發(fā)出首個含反應型阻燃劑單體（海特酸）的阻燃聚酯，隨后又研制出多種反應型含鹵或含磷的阻燃劑單體，均可用于聚合物的阻燃處理。海特酸四氯鄰苯二甲酸酐丙烯酸五溴芐酯1.3.2近代阻燃技術發(fā)展簡介1965年，人們開始研發(fā)惰性添加型阻燃劑，這拓展了聚合物阻燃劑的范圍。從20世紀60年代至今，有機添加型阻燃劑一直是阻燃領域內(nèi)的主力軍，占有機阻燃劑總消耗量的85%以上（反應型僅15%左右）。添加型阻燃劑Dechloraneplus（德克?。┚哂懈呷埸c、高熱穩(wěn)定性等特點，對塑料電氣性能和防水性影響小，還能提高其熱變形溫度和抗彎模量，且在高溫和潮濕環(huán)境中也無滲出問題。氫氧化物被廣泛作為添加型阻燃劑用于聚合物阻燃領域，但氫氧化物只有在添加量較高時才能有效提高阻燃效能，在聚烯烴領域中應有受到極大限制。德克隆1.3.2近代阻燃技術發(fā)展簡介膨脹型阻燃體系1971至2013年膨脹型阻燃劑專利情況人們基于炭的高阻燃性研發(fā)了一種新的阻燃體系——膨脹型阻燃劑。應用于易燃聚合物時，膨脹型阻燃劑能催化聚合物骨架或其自身的炭組分裂解為膨脹炭層，阻止聚合物燃燒過程中的傳熱傳質(zhì)，從而賦予聚合物更高的阻燃性能，并減少燃燒過程中的煙氣釋放，其中酸源、碳源和氣源是其發(fā)揮膨脹阻燃作用的三個主要成分。1.3.2近代阻燃技術發(fā)展簡介由于部分鹵系阻燃材料在燃燒受熱分解時會產(chǎn)生二噁英等劇毒、致癌物質(zhì)，基于對環(huán)境保護的要求，阻燃材料的無鹵化在全球呼聲日益高漲。從長遠來看，阻燃材料正朝向低毒、低煙、無鹵化方向發(fā)展。無鹵阻燃劑1.3.2近代阻燃技術發(fā)展簡介二噁英（Dioxin）熱穩(wěn)定性：800℃才降解，大量破壞溫度需要超過1000℃；低揮發(fā)性：蒸汽壓極低，因而除了氣溶膠顆粒吸附外，在大氣中分布極少，而在地面可以持續(xù)存在；脂溶性：極具親脂性，耐酸堿及氧化、極難溶于水；降解性：環(huán)境中穩(wěn)定性高，平均半衰期約為9年。硅系阻燃劑磷系阻燃