轨道车辆内装材料燃烧后毒性气体分析
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作者: 吴会永,韩新正,崔冬芳
摘要 本文介绍了DIN 5510-2：2009标准中的三种非金属材料燃烧后毒性气体分析的方法，以第三种毒性气体分析检测方法为例进行详细介绍和分析。
关键词 非金属材料；毒性气体分析；轨道车辆内装材料
中图分类号U216 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）58-0069-02
0 引言
非金属材料广泛应用于轨道车辆车厢内部，如车厢地板、座椅、卧铺、电线电缆、座椅泡沫、橡胶风挡、密封条等。这些非金属材料在遇到明火或高温往往会释放出大量的烟雾和各种有毒有害气体，在火灾中对人体造成伤害。根据火灾中死亡原因调查，大部分并不是由火灾烧死，而是由于火灾中毒性气体导致死亡的。而防止火灾导致人员安全发生可以从两个方面出发，一是从材料本身出发尽量提高材料的阻燃性，使材料不易发生燃烧，从而避免产生火灾；二是在非金属材料发生燃烧后，减少材料本身产生的烟雾和有毒有害气体，从而有利于人员逃生和避免人员呼吸中毒死亡。各国有不同的标准对轨道车辆进行阻燃方面的规定[1]材料阻燃性有很多研究和标准，在轨道车辆上也有详细的要求，而非金属材料毒性气体分析缺少标准和研究。因此各国有不同标准规定分析这些材料燃烧后毒性气体的组成和含量以减少火灾造成的人员伤亡[2]，我国相应的标准对动车组的内装材料阻燃性能进行规定，包括毒性气体分析[3]。
材料燃烧后毒性测试方面德国标准DIN5510-2量化的比较具体，也容易操作。其主要包括两个方面：1）DIN54837烟密度检测是对非金属材料的发生火灾时冒烟量的检测，如果烟气浓重，妨碍逃生视线，引发踩踏等其它原因的死亡；2）毒性气体分析是检测烟气中有害气体的浓度，是保证人员安全重要屏障。
1 毒性气体分析
毒性气体分析在DIN5510-2：2009标准[4]中有八种气体的浓度（CO2、CO、HF、HCl、HBr、HCN、NO2 (NOx), SO2）并提供了3种检测烟气毒性的分析方法：1）FTIR（傅里叶变换红外）光谱法：八种气体可以同时分析出浓度，其原理是红外光源发射多色光束，通过干涉仪分解为二束光，穿过在测量室导入所要分析的燃烧后的气体试样。在一定的光谱范围被吸收，傅里叶变换将探测信号转换为强度频谱（辐射强度取决于波长常数），通过比较具有已知浓度的标准混合气体的校准光谱，来进行定性和定量光谱分析。根据吸收光谱带的物质特定状况和形式，鉴定要分析的气体，并通过吸收光谱带的高度或面积来确定浓度；2）湿化学分析法：对于HCN、HCl、HBr、HF和SO2五种气体浓度测定，是从燃烧箱把样品燃烧后气体导入吸收溶液，根据通过吸收溶液的气体量和一只的待测气体成分用离子色谱法测量并计算取样时燃烧气体中平均浓度，对于CO和CO2用非色散的红外光谱测量法测定，对于NOx可直接用化学荧光光谱法测试；3）比色测量法：其原理是利用不同浓度的气体和比色管中的物质反应生成不同的颜色，颜色变色范围和浓度成正比来进行测定。其中用CO2、CO、HF、HCl、HCN、NO2 (NOx), SO2七种气体比色管来进行分析测试，因为对于HBr没有相应的比色管，所以CIF值的计算是通过这7种成分相加（HBr视为与HCI是一种成分）来进行。
从以上3种方法比较可以看出第一种方法检测结果准确可靠，可以直接测量不需要转化，并操作较简单，重复性良好，但是所需设备昂贵，并且对人员操作和维护设备技术要求高，并且对软件使用等素质要求也比较高。第二种方法对CO2、CO采用红外光谱仪测试，其它气体浓度需要吸收溶液吸收后用化学方法测试溶液中毒性气体的离子浓度，然后根据温度、气体流量、气体压强等数据转换成气体浓度。此方法仪器设备要求繁多，操作复杂，对测试人员专业知识要求广泛。第三种方法操作简捷，设备要求也比较低，对人员素质要求不高，可靠性也有一定得保证，但是精确度比其它方法低，可作为出厂检测或者快速筛查检验。综合考虑以上因素和设备、资金、人员等因素，对第三种测试方法进行详细介绍。
2 试验设备和操作条件及计算
试验采用符合ISO5659-2的设备和所要试验的样品产生燃烧后烟气，并通过采样器和采样袋来收集样品燃烧后的气体，通过真空泵和气体检测管了测量采集的气体中毒性气体的成分。试验过程如下：
1）试样前处理：试验之前应将试样放在（23±2）℃的温度下和50±5%的相对湿度下进行预处理，直到达到稳定状态（24 小时之内，△m＜0.1%），以保证试样处于稳定状态；
2）试验的环境：试验设备在一个无对流空气的室内进行，并保证温度控制在15℃至35℃之间，相对的空气湿度在20%～80%之间。ISO5659-2烟密度试验箱安装在一个护罩的下面，防护罩可以将烟雾排出，并且试验中的通风管必须连接通风设备，在试验时关闭，试验后打开；
3）试验开始前的准备：清洁试验箱的内壁、抽气探头、试样支架等，使采集的气体不受污染，保证测得的毒性气体浓度值准确；
4）试样制备：试样长和宽的尺寸为75×75（mm），试样厚度与被试验产品的原件厚度尽量一致但不得超过25mm。如果产品较厚，在不受应力的一面切割成总厚度为25mm的由不同材料膜层（如有涂层、覆面和蒙皮等）组成的试样进行试验。如果是软垫等制品，则试样尽量取自成品试验，但也可以用泡沫和蒙面材料制成试样试验；
5）试验过程：准备好燃烧气体取样和测量系统之后，进行如下试验：（1）设定烟密度箱的辐照度为25kW/m2，检查试验箱壁的温度处于（40±5）℃；（2）从（23±2）℃的温度下和50±5%环境条件下取出试样，然后单独包上铝箔，称重；（3）将试样放入试样夹具中；（4）将防护屏固定在辐射锥体和试样支承面之间；（5）每隔5s收集采样点上的温度；（6）关闭烟密度箱门，移开防护屏，点燃试样，并启动秒表；（7）采集4分钟（采气时间为3分30秒~4分30秒）和8分钟（采气时间为7分30秒~8分30秒）气体，分别用采样仪把烟气采集到样品采集袋中；（8）用真空泵和不同气体检测管检测试验开始4分钟和8分钟时采集的样品中的浓度并记录各中气体的浓度。在用气体检测管检测中有些浓度单位为ppm还需要转化为mg/m3，转化时由于压力影响比较小，所以未考虑压力变化因素。
转化公式为：
ppm与mg/m3的转化公式： m=（M）/22.4×ppm数值×[273/(273+T)]
m为质量浓度，单位为mg/m3；M为气体分子量；T为采样时的气体温度。
3 毒性评价结果与讨论
毒性评价：利用FED（有效烟毒性值）来评价烟气毒性，FED≤1时，所试验的样品满足要求。FED值是通过在试验开始后4分钟和8分钟时的计算CIT (常规毒性指数)值以及所检测材料的允许曝光时间来得到。CIT值是无量纲的，由试验中记录的4分钟和8分钟时8种有毒气体：CO2、CO、HF、HCl、HBr、HCN、SO2和NO2与基准浓度之比构成。其中基准浓度是以美国NIOSH (美国职业安全与健康研究所)的IDLH值(立即危及生命和健康)为基础，曝光时间为30分钟。
ci ：i种气体在试验箱内的浓度（mg/m3）
Ci为气体基准浓度（mg/m3）：CCO2=72000 ；CCO=1380；CHF=25；CHClr=75；CHBr=99；CHCN=55；CNOx=38；CSO2=262
0.0805为校准因数（根据产品表面与空间容量之比得出）
在计算出CIT值后根据材料不同部位不同曝光时间来计算出试样的有效烟毒性值
FED(tzul)=[CIT4-0.5×CIT8）×4+ CIT8×（tzul-8）]/30
其中： tzul：车辆中允许的曝光时间；
在CIT4：测试4min后计算的CIT值；CIT8：测试8min后计算的CIT值。
CIT4值测定是在试验开始后4分时的毒性气体浓度计算得出，根据采样气体的流速和采样管的直径，确定在试验开始后的3分30秒~4分30秒采集气体；CIT8值测定是在试验开始后8分时的毒性气体浓度计算得出，根据采样气体的流速和采样管的直径，在试验开始后的7分30秒~8分30秒采集气体。
4 结论
从以上试验可以看出毒性气体分析的FED（有效烟毒性值）涉及八种毒性气体的检测，并且根据不同部位材料不同的曝光时间以及4分钟和8分钟时的CIT (常规毒性指数)综合计算得出的。可以有效地评价列车内装材料的有效毒性，对保障列车乘员的安全有重要的意义。但用气体检测管来检测FED（有效烟毒性值）简便快捷，但精度有待进一步提高。
参考文献
[1]戴朝刚，王旭东，刘立玺.中国轨道车辆防火技术标准之思考[J].城市轨道交通研究，2008(5)：1-14.
[2]蒋志文，林国斌.中国轨道车辆防火技术标准之思考[J].电力机车与城轨车辆，2010，33(1)：40-42.
[3]TB/T3237-2010 动车组用内装材料阻燃技术条件[s].
[4]DIN 5510-2：2009 轨道车辆防火措施（第2部分）材料和构件的燃烧特性和燃烧并发现象分类、要求和测试方法[s].
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