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1. 热塑高分子材料的热转变特性

热塑性高分子材料在较低温度下都为刚性固体,按照是否结晶可分为结晶和非结晶(无定性)热塑性高分子材料。随温度升高,非结晶热塑性高分子材料先是在达到 玻璃化温度(Tg)后发生软化、进入高弹态(类似皮革状),然后温度继续升高,达到粘流温度(Tf)后处于粘流态。结晶度较低(小于40%)的热塑性高分 子材料,随温度升高,先在达到Tg后发生软化、进高弹态,然后温度继续升高,达到熔点(Tm)后成为粘性流体。结晶度较高(大于40%)的热塑性高分子材 料,温度升高到Tg后不软化,达到Tm后才熔化为粘性流体。如果结晶高分子材料的分子量足够大(如超高分子量聚乙烯),无定性部分的Tf会大于结晶部分的 Tm,那么温度升高到Tm后,先是成为高弹态,只有在温度超过Tf后才成为粘性流体,此时如果温度继续升高、达到分解温度(Td),热塑性高分子材料将发 生化学分解。

一般情况下,大多数热塑性高分子材料的Tg小于150℃,Tm小于200℃,Tf小于250℃,Td小于350℃。由于燃烧时温度一般超过500℃,因 此,发生火灾后,热塑性高分子都会先被加热到粘流态,并发生化学分解(化学分解机理主要为链式解聚和无规分解),生成单体、二聚体、多聚体、小分子无规分 解物以及其它小分子量粘性物质(如焦化产物等)。 这些分解物中,有许多小分子量物质在燃烧温度下呈气态。

2. 热塑性高分子材料燃烧形式

鉴于热塑性高分子材料具有上述热转变特性,发生火灾时燃烧表面上方的燃烧物质实际上是热塑性高分子材料分解的分子量较小、在燃烧温度下呈气态的分解物。因 此,热塑性高分子材料火灾的燃烧形式呈气相燃烧。另外,燃烧表面呈现粘流态,这些表面粘流物质主要是熔融的高分子量物质以及在燃烧温度不挥发的小分子量分 解物等。

从广义上讲,高分子材料包括有机高分子材料(天然和合成)和无机高分子材料。有机高分子材料一般可分为塑料、橡胶、纤维、涂料、 粘合剂以及功能高分 子材料和高分子生物材料等;无机高分子材料一般包括水泥、玻璃、陶瓷等。由于习惯的原因,高分子材料一般是指有机高分子材料。由于涂料和胶粘剂使用前一般 为液态且成型后为涂膜状物质涂覆在其他材料表面上,很少单独作为材料使用,而且功能高分子材料和高分子生物材料数量特别少,因此高分子材料在大多数场合下 指的是塑料、橡胶、纤维三大类材料。本文所指的高分子材料仅指塑料、橡胶和纤维。

按高分子材料受热后形态性能表现,可分为热塑性和热固性高分子材料。热固性高分子材料成型后分子呈交联网状结构,不熔不溶,受热后只能分解,不能软化,不 能回复到可塑状态。热塑性高分子材料成型后分子呈线形结构,在一定条件(温度、压力)下可塑成一定形状并在常温下保持其形状,而且还可在特定的温度范围内 反复加热软化、冷却固化,加工成型方便,有利于制品再生。因此,热塑性高分子材料用途非常广、产量非常大(占所有高分子材料的80%以上),而且从事这类 高分子材料生产、经营、储存的单位非常多。因此,在高分子材料火灾中,绝大部分是热塑性高分子材料火灾。常见的热塑性高分子材料有:聚乙烯、聚丙烯、聚丁 烯、聚氯乙烯、氯氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯氰、聚甲醛、聚氧化乙烯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酸酯、聚甲基丙燃酸酯、聚乙酸乙烯酯、乙基纤维素、 硝酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、尼龙等。常见的热固性高分子材料有不饱和聚酯、环氧树脂、醇酸树脂、氨基树脂、酚醛树脂、聚氨酯树 脂、聚烯烃橡胶、有机硅橡胶等。

1. 燃烧表面呈立体型

热塑性高分子材料的粘流温度和分解温度比较低,而且燃烧热值比较高,引燃后燃烧放出大量热量很快将燃烧附近表面区域熔融、分解,使热塑性高分子材料(无论 是成品、半成品,还是材料、制品的堆垛等)变形并使燃烧蔓延,燃烧表面呈不规则曲面形状。因此,热塑性高分子材料火灾与普通固体(如主要由天然纤维素组成 的物质)火灾相似,呈立体燃烧特性,有别于液体火灾的平面燃烧性。

2. 燃烧表面疏水性

由于热塑性高分子材料燃烧时的温度远超过其粘流温度和分解温度,而且熔融态高分子物质和分解产生的在燃烧温度下不气化的低分子量粘性物质一般难溶于水,因此燃烧表面物质类似于石蜡或沥青,与水的亲和力非常小,具有较大的疏水性。

3. 燃烧迅速、蔓延快、燃烧表层温度高

热塑性高分子材料的氧指数(OI)一般都比较低(大都低于21%),而且燃烧热值和火焰温度非常高(如聚乙烯热值46KJ/g、火焰温度2120℃),比 煤和木材的热值高许多(煤和木材热值分别为23KJ/g、15KJ/g,木材火焰温度800℃),当被引燃后,短时间内就会放出大量热量,促使高分子物质 不断分解、燃烧,而且随着燃烧的不断进行,放出的热量更多,热塑性高分子材料很快就会出现大面积熔融并加速分解、燃烧,使火焰区域和燃烧表面不断扩大,火 场温度不断升高,火灾很快就会发展到猛烈程度,并向周围快速发展蔓延。从火灾发生、被发现、报警,到消防队接警、出动、到达火灾现场,一般至少要经过10分钟以上。因此,消防队达到火场时,热塑性高分子材料火灾一般已经扩大蔓延,并发展到大面积猛烈燃烧阶段。

另外,高分子材料的导热系数与可燃液体相比要低很多,热塑性高分子燃烧部位表面虽呈粘流态,但燃烧表面内部仍呈高弹态或刚性固态,导热系数仍然比较低,因 此,热塑性高分子材料燃烧时热量向内部传递较可燃液体燃烧时热量向内部传递慢,燃烧表层温度比可燃液体燃烧表层温度高得多。

4. 燃烧释放出大量有毒浓烟

热塑性高分子材料及其里面的添加剂(如增塑剂、防老剂、防霉剂等)在燃烧时分解产生的物质有部分具有一定毒性,而且由于燃烧不完全还会产生较大的烟雾颗 料。因此,热塑性高分子材料燃烧时会产生较浓、有毒的烟雾,使火场能见度降低,并使及时查明火情和接近火点扑救火灾以及救人和疏散物资等战斗行动受到一定 影响。

对 于热塑性高分子材料火灾,实战上一般都按固体火灾对待,偶尔也按可燃液体火灾处理。笔者认为,虽然这类火灾基本上没有爆炸危险性,扑救对策与其它固体火灾 也基本相似,但是,由于同时具有立体型和疏水性的特点,这类火灾既不同于普通固体火灾,也不同于可燃液体火灾,扑救这类火灾不能简单地使用适用于普通固体 火灾和可燃液体火灾的灭火剂,必须具体情况具体分析。因此,这里对热塑性高分子材料火灾对策分析仅讨论发生这类火灾时应怎样正确使用灭火剂进行扑救。

1. 用水灭火

对于普通固体火灾,比如主要由天然纤维素组成的物质火灾,不管是木材、家具、纸张、纸箱,还是衣服、布料及其堆垛等,由于天然纤维素分子结构中含有大量亲 水性的羟基(-OH),以及物质表面和内部疏松、多孔,使这类物质具有较强的亲水性和吸水性,虽然这类火灾发展蔓延也比较快,燃烧也比较猛烈,只要战术方 法得当,用水很快就能控制火势、达到灭火的目的。

但是,由于热塑性高分子材料火灾具有疏水性和立体型,水射向燃烧部位后,很快就会因为与燃烧表面亲和力不强而流淌下来、离开燃烧部位。这样,不仅不能将空 气与燃烧表面隔离、起不到灭火作用,而且由于在燃烧表面停留的时间太短,起到的冷却作用也很有限。即使射向燃烧表面的水有少量被热量蒸发而有一定的将氧气 浓度降低的作用,但一方面由于热塑性高分子材料的OI值比较低、表面温度远离于自燃温度,另一方面产生的蒸汽很快会被热流冲走,燃烧仍能够维持进行。何况 水枪射水,不管是点射、开花射,还是喷水雾,都不能使水将整个燃烧表面覆盖、使所有燃烧表面同时与空气隔离而窒息灭火,也不能及时将整个燃烧区域冷却。除 非火场是在封闭空间内,可以用水雾灭火。相反,如果一到火场就急于向火焰根部盲目射水反而会因水流对火焰的冲击作用使高温火焰飘向附近部位、使火势扩展蔓 延更快。

2. 用泡沫灭火

由于表面活性剂的作用,泡沫与热塑性高分子材料燃烧表面物质有一定亲和力。但由于一方面燃烧表面呈不规则立体曲面状使泡沫向低处流淌;另一方面温度非常高 的高分子燃烧表面在使泡沫与燃烧表面的摩擦阻力变小的同时,还使泡沫液很快汽化而将泡沫破坏、降低泡沫与燃烧表面的亲和力。这样,虽然热塑高分子材料发生 火灾时燃烧表面物质类似于石蜡或沥青,但射向燃烧表面的泡沫在燃烧表面停留的时间非常短,与水一样很快从燃烧表面流淌下来,作用与水差不多,也不会有多大 灭火效果。除非同时将泡沫大面积投向燃烧表面,将整个燃烧表面与空气隔离。实际上,这种方法是不可能的。因此,利用泡沫灭火,基本上只能起到水的作用,不 仅不能有效灭火,而且还造成浪费和因泡沫流散造成一定的环境污染。

根据上述对水和泡沫进行灭火的分析,水和泡沫都不能快速、有效地扑灭热塑性高分子材料火灾。即使方法得当,水和泡沫也只能起到有限的控制火势、防止火灾蔓 延的作用,不仅不能起到保护财产的作用,而且也不能为抢救生命财产赢得宝贵时间,即使没有导致人员伤亡,热塑性高分子材料也基本上稳定燃烧直至完全燃烧, 遗留下来的只是炭化物及其被炭化物覆盖保护而没有发生燃烧的少量被软化熔融的高分子材料。也就是说,该烧的基本上被烧了,剩下的只是不能被烧的物质,不仅 浪费人力物力,而且还浪费了宝贵的灭火救援时机、留下很难处理的熔渣垃圾和对环境造成一定污染的泡沫。这样的灭火战斗是不能算作成功的。实战中这样的例子 非常多。因此,对于像热塑性高分子材料这类疏水性固体物质火灾,不能仅靠使用水或泡沫等流质性灭火剂来灭火,必须使用能在这类火灾中发挥高效灭火性能的灭 火剂。

3. 用ABC干粉灭火

ABC干粉(磷酸铵盐)作为一种常用灭火剂,具有灭火速度快、适用范围广、使用量少、价格便宜等优点。灭火时,ABC干粉不仅能够破坏火焰中的活泼自由基 而起到化学抑制作用,而且还可以在燃烧表面形成一定厚度的玻璃状多聚磷酸铵层状物而起到较好的隔离窒息作用。此外,ABC干粉还可以在很短时间内呈现立体 方式布满整个火场并停留较长时间,避免流质灭火剂流淌、气体灭火剂易被热流冲走的弱点。因此发生热塑性高分子材料火灾时使用ABC干粉灭火,很快就可将火 灾扑灭。由于ABC干粉对燃烧物的冷却作用比较小,而高分子材料燃烧表层温度比较高,当火灾扑灭后,燃烧表面温度仍可能高于热塑性高分子材料的自燃温度。 因此,为防止复燃,ABC干粉还必须与雾状水配合,或与氟蛋白泡沫或轻水泡沫联用。

4. 其它方法

由于热塑性高分子材料着火部位的物质软化变形,燃烧区域内的物质没有抢救、保护的价值,为了抑制火势蔓延、减少燃烧面积,使火灾扑救难度降低,在使用 ABC干粉灭火前,可以在燃烧表面及燃烧区域周围铺一层干砂或水泥粉(以下统称干砂),利用干砂来辅助ABC干粉灭火。因为处于粘流态的热塑性高分子,以 及热塑性高分子燃烧时分解的低分子量高温不挥发物的粘度比较大,干砂与它们的粘结力比较强,可以很好地覆盖在燃烧表面,能减少、甚至完全覆盖燃烧表面,形 成一层隔离层,而且干砂耐高温、不流淌、价格低廉,可以起到很好的隔离效果,减少燃烧面、抑制火势蔓延,甚至起到扑灭火灾的作用。另外,由于干砂易于清 除,还可以利用它们保护火场周围的可燃物,防止火灾向其它区域蔓延。干砂在火灾中的作用,深圳清水河“8·5”大爆炸就是一个很好的例证。这次建国以来罕 见的火灾爆炸事故最终没有演变成更大的人类悲剧,水泥干粉起到了关键作用。

为了抑制火势蔓延、减少燃烧面积、保护火场内物质,还有一个有效手段就是使用灭火毯。灭火毯虽然不能完全扑灭热塑性高分子材料火灾,但只要使用得当,并采 取辅助冷却措施,不仅能够有效保护非燃烧区域的物质,而且还能非常有效地减少燃烧面积,起到局部隔离窒息的作用。

综上所述,扑灭热塑性高分子材料火灾,应该摒弃常用的灭火方法,根据火场实际情况,正确使用ABC干粉灭火剂,并灵活运用防止复燃手段。必要时,ABC干粉还与干砂、灭火毯联用。

令人遗憾的是,这种方法被大多数战训部门和消防队忽视了,实战中运用这些实用、有效灭火手段的非常少。特别是ABC干粉,由于其突出的灭火效率和广泛的灭火适应性,按理应该得到非常广泛的应用。但实战中,很多消防都没有配备ABC干粉消防车。即使配备了,要么很少进行相应训练、不懂得如何正确使用;要么根本就没有认识到ABC干粉的重要性,甚至没有想到过用ABC干粉来灭火,使用灭火剂的战术思维仅固定在用水和泡沫上。如果充分认识到ABC干粉消防车的重要性,平时就一定会加强ABC干粉训练和对ABC干粉消防车进行维护保养,不至于到了该用的时候,却没有人会使用ABC干粉消防车,ABC干粉消防车好象仅作为一种摆设。发生火灾后,很少有ABC干粉消防车出动,甚至由于火情紧急,需要第二、甚至第三出动,而且必须出动ABC干粉消防车时,仍然没有出动ABC干粉消防车、就是明显例证。

至于配备干砂和灭火毯的消防队就更少了,特勤消防队也不例外。虽然干砂、灭火毯运输或使用起来比较困难,但由于实战用途比较大,特别是对扑救初期火灾非常有效,消防队适当作点干砂和灭火毯的准备也是非常有必要的。

总之,对于许多类型火灾,都不能简单进行处理,在正确选择灭火剂之前,一定要因地制宜,对火场可燃物质的燃烧实质、特点进行分析研究。以上仅就热塑性高分子材料火灾特性及灭火剂的正确选用谈了个人肤浅的看法,不当之处,敬请指正。


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