高分子材料火灾烟气毒性分析及其防烟措施

　　摘要：介绍了高分子材料火灾烟气的毒性及其释放规律，对烟气中各毒性组分的毒害作用以及燃烧条件对烟气释放速率和总量的影响进行了全面分析，并根据高分子材料的阻燃机理和化学抑烟技术，提出了控制和减少有毒烟气产生的措施。

　　关键词：高分子材料；火灾烟气；毒性；措施

　　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理的块状软质聚氨酯泡沫燃烧时要大得多。单位面积（1M2）未阻燃的块状软质聚氨酯泡沫在燃烧3min后，CO（一氧化碳）的释放总量为6.7g，释放最大速率为4.7g/min•m2,HCN（氰化氢）的释放总量为710mg，释放最大速率为1960mg/min•m2；而相同大小阻燃的块状软质聚氨酯泡沫在燃烧3min后，CO的释放总量为31.8g，释放最大速率为21.2g/min•m2,HCN的释放总量为3750mg，释放最大速率为6670mg/min•m2。

　　因此，在火灾初期，由于火场温度还不是太高，高分子材料在发生分解和不完全燃烧时产生的CO、HCN（氰化氢）等有毒气体（本身可燃）不能全部参与到火场燃烧中而被消耗，致使这一时期释放出来的烟气中有毒气体含量最高、毒性最强，足以使身处火灾中的人员在还不知道是怎么一回事或者还没等消防人员到场施救的情况下已经中毒死亡了。这一点已被众多的火灾案例证明，其现状往往惨不忍睹。以昆明市官渡区小板桥2006年“8.10”特大火灾为例，起火地点为一沙发坐垫加工小作坊，消防队员从接警到火灾扑灭，仅用了40多分钟的时间，过火面积150平方米，整个火灾扑救可以说非常成功，但正是由于起火层1层中大量堆放的聚氨酯泡沫塑料（海绵）燃烧释放出来的浓烟和有毒气体，致使3层的7人、2层的1人和1层的2人在消防队员成功救出时已经死亡。类型的情形，在今年年底的3起重大火灾中再度上演。

　　三、防烟措施

　　首先，对建筑装修、装饰材料和家具制造中广泛使用的高分子材料进行阻燃抑烟处理，是减少火灾有毒烟气产生的根本方法。在室内装修时，须尽量采用不燃（A级）或难燃（B1级）材料，特别是顶棚应采用不燃装修材料，顶棚材料阻燃性能应高于墙面，墙面应高于地面；一般规定楼梯间的装修材料应采用A级；门厅和走道的顶棚应采用A级材料，其墙面和地面的装修材料应采用不低于BI级材料。

　　（一）高分子材料的阻燃

　　阻燃剂是一类能够提高高分子材料耐燃性，延缓燃烧速度或阻止其燃烧的助剂。一般而言，阻燃剂的阻燃作用主要体现在以下几个方面[8]HO•、H•、•O•、HOO•等自由基，一旦自由基的连锁反应被切断，就使燃烧的火焰熄灭；4.阻燃剂可将燃烧热分散或吸收，降低了聚合物的温度，从而减缓了分解和燃烧；4.聚合物-阻燃体系能分解产生H2O、HCl、HBr、CO2、NH3、N2等不燃气体，就可将可燃气体稀释，达到阻燃目的。：1.阻燃剂分解产物的脱水作用使有机物炭化变焦，从而促进单质碳的生成,所生成的炭黑皮膜，难以引起产生火焰的燃烧，从而起到阻燃的作用；2.阻燃剂分解形成不挥发性的保护皮膜覆盖在树脂的表面，从而把空气遮断，起到阻燃的目的；3.阻燃剂分解产物捕获高分材料燃烧时分解的

　　根据阻燃剂的使用方法可分为添加型和反应型两类，添加型阻燃剂是在高分子材料的加工过程中掺入到高分子材料中，多用于热塑性高分子材料。反应型阻燃剂是在高分子聚合物合成过程中作为单体化学键合到高分子聚合物分子链上，多用于热固性高分子材料，有些反应型阻燃剂也可用作添加型阻燃剂。按照化学结构，阻燃剂又可分为无机和有机两类，在这些化合物中多含有卤素和磷，有的含有锑、硼、铝等元素。此外，硅和其化合物也可作为阻燃剂使用。

　　（二）高分子材料的抑烟

　　由于高分子材料大量采用的阻燃技术和工艺来降低其燃烧速度，致使高分子材料在燃烧过程往往发生不完全燃烧而释放出大量的有毒浓烟，严重妨碍了火场中被困人员的逃生和救援人员的搜救行动，因此，在对高分子材料进行阻燃处理的同时，还必须采用化学抑烟技术来进一步增强高分子材料本身的抑烟作用，最大程度地减少燃烧所释放的烟气浓度。化学抑烟技术主要是采用氢氧化铝、碳酸钙等具有抑烟作用的化合物[9]。氢氧化铝分解时吸热,同时放出水蒸汽,可与烟雾中碳粒发生反应而吸热,从而有效地降低气相温度,降低燃烧速度和烟量。

　　目前，在化学建筑材料中经常使用的阻燃消烟剂主要有[3]：1.铁粉和氧化钼的混合物；2.铁粉、氧化钼和氧化铜的混合物；3.氰亚铁酸碱金属锌或氰亚铜酸钾锌；4锂、钠、钾、镁、钙、钡、锆、锰或铁的氧化物、氢氧化物、盐或链烷羧酸盐与磷酸三酯并用；5.双茂乙基铁；6.氧化钒或乙酰甲基2一羟基异丁酸钒；Cr2S3、Cu3N,Cu2S,CuS,FeS,MoB2,SnS2,TiB2的化合物及其混合物。

　　其次，要严格按照规范要求，不断完善建筑防、排烟设施，以便切断或阻止烟气扩散蔓延，尽开排出火灾产生的烟气，确保被困人员的安全和疏散通道的畅通。

　　建筑中常见的防、排烟设施有：1.防烟分区。是指为控制烟气的任意流动，在屋顶设置挡烟隔板、挡烟垂壁或者利用顶棚向下突出0.5米梁等构件，在建筑物的防火分区内划分为多个防烟空间，再利用排烟设备通过排烟口、排烟管道等把烟气排除。2.防烟楼梯间、封闭楼梯间。利用防火门、防火卷帘等设施，把用于疏散的楼梯间、电梯前室等做成相对封闭的安全空间，在火灾的侵袭下保证有足够的时间供人们疏散逃生。3.对中央空调的通风管道，在穿越楼层处、穿越防火防烟分区处设置防火阀，当管道内气体的温度达到一定数值时，防火阀自动关闭从而切断高温流动烟气。对竖向管道井则采取每隔2～3层用非燃烧材料进行密封分隔，防止形成烟囱效应。4.机械送风设施。对于疏散楼梯间、电梯前室、避难层等人员疏散和避难空间，可以通过正压送风的方式，提高空气的压力，使烟气不能侵入这些部位。5.进行自然排烟时可开启的外窗。在建筑物预设的可开启外窗，火灾时自动或人工方式打开外窗，将烟气排到室外。

　　最后，要牢固树立防烟意识与防火意识同等重要的观念，在做好防火宣传教育的同时，也要让更多的人真正了解火灾烟气对人体巨大的危害性，使“烟气猛于火”的思想能够深入人心，切实提高人们在面对高温、浓烟、有毒、混乱等复杂条件时的自救逃生能力。