聚氯乙烯(PVC)材料因具有优异的性能和较强的实用性，在建筑材料、工业制品、日用品、地板革、地板砖、人造革、管材、电线电缆、包装膜、密封材料、框架材料等方面广泛应用[1-2]。但PVC在加工过程中引入增塑剂[3]，使其本身具有易燃性，在发生火灾时释放大量的热量助长火势蔓延，并释放大量烟气和有毒有害物质，阻碍人员逃生，存在安全隐患。PVC材料在投入使用时要求具有一定的阻燃性，国内外学者对提高PVC阻燃性能也进行大量研究[4-6]，合理评价PVC材料在不同火灾条件下的燃烧特性并分析填料对PVC材料阻燃效果尤为重要。锥形量热仪燃烧方式与真实火灾条件下材料的燃烧方式较接近，采用耗氧量原理测量材料的热释放速率。在火灾条件发展的不同阶段，材料受到的热辐射通量不同，文献[7]提到中等规模的火灾热辐射通量一般为50 kW/m2。本实验采用锥形量热法，测试不同热辐射通量下PVC在燃烧过程中的热释放速率、总释放热、点燃时间、CO和CO2释放、总烟释放量和烟生成速率等参数，并采用水滑石作为填料对PVC进行改性处理。1实验部分1.1主要原料聚氯乙烯(PVC)，SG-5，山东阳煤恒通化工股份有限公司；水滑石(HT)，工业级，FM300，靖江康高特塑料科技有限公司；邻苯二甲酸二辛酯(DOP)，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；硬脂酸，SA1801，天津市福晨化学试剂厂；石蜡，恒通石化有限公司；稳定剂，韶关盈田环保材料有限公司。1.2仪器与设备高速混合机，SHR-50，张家港市亿利机械有限公司；开放式炼塑机，SK-160B，上海迪胜橡塑机械有限公司；平板硫化机，QLB-50D/Q，无锡第一橡塑机械有限公司；锥形量热仪，CCT，莫帝斯燃烧技术（中国）有限公司。1.3样品制备将PVC树脂与增塑剂、稳定剂、润滑剂、阻燃剂混合均匀，在165 ℃下混炼10 min，经过热压和冷压工艺制成尺寸为100 mm×100 mm的片材。实验的基本配方为：PVC 100 g、HT 10 g、DOP 40 g、稳定剂4 g、硬脂酸0.1 g、石蜡0.1 g。在基础配方下，调整HT用量分别为0、5、20和40 g，以分析HT改性处理对PVC复合材料阻燃性能的提升效果。实验前样品底面和边缘用铝箔包裹，保证实验受辐射面积为88.4 cm2。1.4性能测试与表征锥形量热测试：按I SO 5660-1:2005进行测试，热辐射通量分别为15、25、35、50和60 kW/m2，模拟不同规模火灾中材料受到的辐射强度。2结果与讨论2.1热释放分析图1为PVC板材燃烧前后的照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.F001图1PVC板材燃烧前后照片Fig.1Photos of PVC sheet before and after combustion从图1可以看出，PVC板材在开始受热阶段，发生弯曲变形现象，点燃后稳定燃烧，完全燃烧后存在大量残留物。表1为不同热辐射通量下PVC的热释放速率(HRR)、热释放速率峰值(pHRR)、总释放热(THR)。从表1可以看出，15 kW/m2热辐射通量下，PVC的HRR为88.35 kW/m2，pHRR为142.81 kW/m2。随着热辐射通量的升高，PVC的HRR和pHRR均逐渐上升。热辐射通量为60 kW/m2时，PVC的HRR和pHRR分别为141.61 kW/m2和245.51 kW/m2，与15 kW/m2热辐射通量相比，分别提高60.29%和71.91%，由此说明热辐射通量对该PVC热释放的影响显著。而THR的变化相对较小，热辐射通量从15 kW/m2增至60 kW/m2，THR先缓慢下降后逐渐升高。热辐射通量60 kW/m2时，PVC的THR仅比15 kW/m2时增加1.32%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.T001表1不同热辐射通量下PVC的HRR、pHRR和THRTab.1HRR， pHRR and THR of PVC at different heat radation flux热辐射通量/（kW‧m-2）HRR/（kW‧m-2）pHRR/（kW‧m-2）THR/（MJ‧m-2）1588.35142.8145.452595.81159.4942.6335107.56183.4937.0250129.21216.2038.4360141.61245.5146.05图2为PVC的HRR和THR随时间的变化趋势。图2PVC的HRR和THR随时间变化曲线Fig.2Change curves of HRR and THR of PVC with time10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.F2a1（a）HRR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.F2a2（b）THR从图2可以看出，初始阶段在辐射热流的作用下材料分解的可燃气体密集分布于表面，该阶段HRR缓慢。当温度升高至着火点以上进入燃烧阶段，此时HRR急剧增加。随着燃烧的进行及可燃物的消耗，热解的可燃气体逐渐减少，HRR呈下降趋势。随着热辐射通量增大，HRR随时间的变化曲线斜率逐渐增大，HRR和pHRR显著增大，热释放总量THR也逐渐增大。图3为不同热辐射通量下HRRav和pHRR的变化趋势。从图3可看出，该PVC材料的HRRav和pHRR与热辐射通量均呈良好的线性正相关。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.F003图3不同热辐射通量下HRRav和pHRR的变化趋势Fig.3Variation trend of HRRav and pHRR at different heat radiation flux2.2点燃性能分析表2为不同热辐射通量下PVC的点燃时间(tig)、达到pHRR的时间(tp)、熄灭时间(tex)。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.T002表2不同热辐射通量下PVC的tig、tp和texTab.2The tig, tp and tex of PVC at different heat radiation flux热辐射通量/（kW‧m-2）tig/stp/stex/s154242884282551237332352417425850912520260696173从表2可以看出，随着热辐射通量的增加，tig、tp和tex均明显下降。当热辐射通量为60 kW/m2，PVC的tig、tp和tex较15 kW/m2时分别下降99%、67%和60%。由此说明，较高热辐射通量下，材料能够在更短时间内积蓄能量，使材料引燃并迅速达到pHRR，在较短时间内释放材料自身的能量。聚合物发生热解反应主要通过无规则断链反应、解聚反应和小分子消除反应[8]。图4为不同热辐射通量下PVC的tig、tp、tex随热辐射通量的变化趋势。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.F004图4不同热辐射通量下PVC的tig、tp和tex的变化趋势Fig.4Variation trend of tig, tp and tex of PVC at different heat radiation flux从图4可以看出，tig对热辐射通量的变化最敏感，随热辐射通量增加而减小的趋势显著。tig-0.5、tp-0.5和tex-0.5与热辐射通量呈线性正相关。2.3烟气毒性分析CO是烟气中致人死亡的主要因素，CO致死人数占烟毒致死人数的40%以上；而CO2对人的呼吸产生刺激作用，过量的CO2造成人员因窒息而死[9]。当空气中CO超过5×10-5，CO2的含量超过5×10-3，对人体产生伤害[9]，因此CO及CO2生成率也是衡量材料火灾危险性的重要参数。图5为PVC板材在不同热辐射通量下CO和CO2含量的变化曲线。从图5可以看出，CO和CO2含量的峰值均随热辐射通量增加而升高。热辐射通量由15 kW/m2升至60 kW/m2时，CO含量峰值从1.4×10-4升至3.5×10-4，上升150%，均超出文献[9]中提及的对人体产生伤害的CO含量限值；CO2含量峰值从1.6×10-3升至3.6×10-3，上升125%，但均未超出文献[9]中提及的对人体产生伤害的CO2含量限值。由此说明该PVC板材燃烧烟气中CO对人体的伤害较大，这也是PVC阻燃材料改性研究过程中需解决的问题。图5不同热辐射通量下CO和CO2含量随时间变化曲线Fig.5Change curves of CO and CO2 content with time at different heat radiation flux10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.F5a1（a）CO10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.F5a2（b）CO22.4烟释放分析PVC在解聚过程中形成多烯烃结构导致其发烟量较大，降低火场的能见度，能见度的降低不利于火灾扑救和火场人员的疏散。因此，确定烟生成速率(SPR)和比消光面积(SEA)对人员疏散和逃生具有重要意义。图6为PVC的SPR随时间的变化曲线。从图6可以看出，烟释放与热释放曲线相似，并且几乎是同步进行，二者均受链段热裂解速度的影响[10]。热辐射通量的增加，加速PVC热裂解速度，在燃烧过程中样品更快被点燃，有焰燃烧时间缩短，烟释放时间也缩短，烟释放峰值提高。图7为不同热辐射通量下SEA变化趋势。从图7可以看出，不同热辐射通量下，PVC板材的SEA平均值基本在700~900 m2/kg之间。SEA主要取决于材料自身的组成成分，热辐射通量的改变对SEA平均值的影响相对较小，随着热辐射通量的增大，SEA缓慢上升。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.F006图 6PVC的SPR随时间变化曲线Fig.6Change curves of SPR of PVC with time10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.F007图7不同热辐射通量下SEA变化趋势Fig.7Variation trend of SEA at different heat radiation flux2.5HT改性PVC的阻燃性能分析图8为热辐射通量为35 kW/m2下，不同HT掺量下PVC的热释放。图9为不同HT掺量下PVC的THR随时间变化曲线。从图8和图9可以看出，不加HT时，HRR、pHRR和THR的值均较高。随着HT掺量的增加，HRR、pHRR和THR均下降，说明HT作为填料对PVC阻燃性能具有显著的改性作用。当HT掺量较低，其阻燃效果并不明显，只有当掺量超过一定值时，其阻燃性能才能较好体现。当HT掺量为10~20 g，阻燃性能改善效果显著，继续增加掺量，阻燃性能下降的幅度降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.F008图8不同HT掺量下PVC的热释放Fig.8Heat release of PVC with different content of HT10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.009.F009图9不同HT掺量下PVC的THR随时间变化曲线Fig.9Variation curve of THR of PVC with time under different HT contents3结论（1）随着热辐射通量增大，PVC板材的HRR与热辐射通量呈线性正相关，HEEav和pHRR均增大。（2）热辐射通量对PVC板材的点燃影响显著，热辐射通量从15 kW/m2增至60 kW/m2，PVC板材的tig、tp和tex均显著下降，说明较高的热辐射通量下，材料被引燃并迅速达到pHRR，并在较短时间内释放材料的能量，增加火灾危害性。tig-0.5、tp-0.5和tex-0.5与热辐射通量均呈线性正相关。（3）随热辐射通量增加，CO和CO2释放峰值提前，释放量明显上升，且PVC板材燃烧烟气中CO对人体的伤害比CO2大；SPR快速升高；SEA缓慢上升。（4）PVC的热释放性能随着HT掺量的增加逐渐下降，说明HT作为填料可显著改善PVC材料的阻燃性能。