膜材是由基材和聚合物涂层构成的涂层织物以及由高分子聚合物制成的薄膜[1]。从膜材料的涂层角度可分为：聚四氟乙烯、氟化树脂、聚录乙烯等；常用的基材有：玻璃纤维，聚酯类纤维，聚乙烯醇类纤维、聚酰胺类纤维。这些不同种类的基材和涂层可以组合成多种多样的膜材[2]。

膜材具有质量轻、造价低、使用方便、造型多样、使用跨度大等优点[3]。目前，膜结构材料已广泛应用在社会生产生活中，如：博物馆、展览馆、海洋馆、健身活动中心、运动场、游泳馆、大型商场、酒店饭店、收费站、飞机场、停机坪、火车站、加油站、公交车站、仓库、物流中心等[4,5]。

最常用的膜结构材料是PVC膜材，其优点是柔韧性较好，方便施工；缺点是抗紫外线能力差，且易污染，在室外使用寿命短等[6]。因此，通常将聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）以及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等化学稳定性较好的附加面层涂覆在PVC膜外面，以达到具有更好的抗紫外线、抗老化、自洁等性能[7]。研究表明，燃烧性能方面：PVDF>PVF>PMMA[8]。由于膜材成分包含大量高分子聚合物，燃烧时会产生大量有毒有害的烟气，对人体危害巨大，同时严重污染大气环境[9]。因此，有必要对其产烟特性开展研究。

笔者通过NBS烟箱及FTIR傅里叶红外光谱分析仪[10]，对典型PVDF膜材进行小尺寸产烟特性研究，测试PVDF膜结构材料在不同辐射热源，以及有无引燃火焰模式下的烟密度、达到最大烟密度的时间、质量损失、毒性指数等参数，为PVDF膜材在不同辐射热源和有无明火引燃的情况下，评估PVDF膜材的烟密度和烟气毒性，为火灾烟气释放场景预测，以及火灾烟气数值仿真等提供数据支撑与技术支持，也为分析和评价膜材潜在的火灾危险性提供基础数据。

选择普通市售PVDF薄膜，白色，厚0.8 mm。从薄膜上切取有代表性的部分样品，制作成尺寸为75 mm×75mm的试验样品。测试时用一张完整的厚度约为0.04 mm的铝箔包裹试样的整个背面，仅留出65 mm×65 mm的面积，同时剪去多余的铝箔。在操作过程中应避免刺穿铝箔或使铝箔有过多的褶皱。

试验前，测试样品需要在温度为（23±2）℃、相对湿度（50±5）%的条件下调节至少48 h。

使用NBS烟密度箱和FTIR傅里叶红外光谱分析仪，烟箱内部尺寸为914 mm×914 mm×610 mm。

测试原理：样品在NBS烟箱内经过辐射锥加热进行热分解释放可燃气体，当可燃气体的体积达到一定的密度，并碰触到有焰引燃火焰或辐射锥的高温而燃烧，从而形成持续燃烧产生烟雾颗粒，由NBS烟密度箱内置的光学测量装置测得其光学透过率的变化，进而引申出烟密度状态。FTIR傅里叶红外光谱分析仪则通过布置在烟箱内的采样管抽取烟气，以光谱分析气体的成分和组分。

由于辐射热源（包括电气设备、照明设备、加热设备等）与明火（包括蜡烛、火柴、打火机等）是导致火灾的主要因素，所以试验用无引燃火焰模式可以模拟仅有辐射热源而无明火引燃的外部环境；有引燃火焰模式可以模拟辐射热源与明火同时存在的外部环境。

常用的辐射热源的功率为25、50 kW/m2。故方案选择4种模式的组合进行试验研究，试验设计方案见表1。

测试时间为20 min，每组模式下测试3个样品，取3组数据平局值为测试结果。

试验前，提前打开光源和辐射锥进行预热，至少1 h，直到光源和辐射锥温度稳定。有引燃火焰模式时，需提前打开燃气并点燃，燃气采用纯度为95%的丙烷。调节丙烷流量为50 cm3/min，空气流量为300 cm3/min，使火焰稳定在合适的长度。

PVDF膜材4种模式下的测试数据见表2，比光密度曲线见图1。

由表2可以看出，4种模式的试样质量损失率逐渐增大，且在外部引火源相同的情况下，外部输入辐射强度越高的模式，PVDF膜材受热分解就越多，质量损失率就越大；在外部辐射强度相同的情况下，有引火源比无引火源的模式质量损失率更大。试验过程中，只有模式1试样未被引燃。

此外，在模式1中比光密度是逐渐增大的，其他3种模式比光密度是先增大而后降低。在模式1条件下，PVDF膜材表面的阻燃物质发挥了一定的阻燃隔热效果，膜材没有被引燃，只是进行无焰燃烧；烟箱中能见度缓慢降低，由于引燃燃烧过程较慢，故在试验进行到951 s方才达到最大烟密度；由于试样没有进行剧烈的有焰燃烧，只是表面因受热而进行物质分解，释放可燃气体和烟雾颗粒，其最大比光密度明显高于其他模式。在模式2中，PVDF膜材受热之后表面迅速分解释放可燃气体，遇到引燃火焰燃烧，同时由于燃烧不充分，生成大量黑色固体颗粒漂浮在空气中，导致箱体能见度明显下降；此后由于PVDF材料受热分解，材料逐渐减少，以及烟箱内的温度逐渐降低，部分烟雾颗粒沉降，导致烟箱内的比光密度逐渐升高。

在模式3的情况下，虽然没有引燃火焰，但是输入辐射强度较模式1和模式2增大一倍。试验开始后，试样受热分解释放大量可燃性气体，这些可燃气体遇到较高的外部能量而达到燃点，发生燃烧，且燃烧发生的时间仅比模式2晚4 s。而在模式4的情况下，PVDF膜材表面在打开热辐射挡板后，立即被引燃。通过对比在相同热辐射下有无引燃火焰的模式3可以发现有引燃火焰的试样引燃时间更早，这种模式下膜材的火灾危险性最大。

由图1可知，PVDF膜材能够被引燃的模式下（模式2～模式4),Ds曲线斜率和趋势基本一致，都是在PVDF膜材被引燃后迅速释放大量烟雾，短时间内比光密度达到最大，然后随着燃烧结束，以及烟箱中的烟雾颗粒下降沉积，比光密度逐渐缓慢降低。

对比模式1和模式2可以发现，在热辐射为25 kW/m2时，试样受热释放的可燃性气体浓度可以达到支持燃烧发生的最低浓度，只是模式1中无外部引燃火焰，而模式2有外部引燃火焰，说明仅仅依靠外部热辐射能量而无引燃火焰是不能够达到这些可燃气体的燃点。故模式1中试样没被引燃，试验700 s前，比光密度呈线性上升，此后达到稳定状态。其他3种模式在比光密度达到峰值前，斜率较大，说明测试开始阶段烟雾释放速率较大，当比光密度达到峰值后，曲线缓慢降低，斜率均变小，说明这3种模式的比光密度在达到峰值后缓慢降低，原因可能是PVDF膜材已燃烧完毕，同时烟雾颗粒沉降，导致比光密度降低。

表3为PVDF膜材烟气的主要成分。可以看出，该膜材生成的主要有害烟气成分是CO、CO2和不完全燃烧的碳氢化合物，以及少量HCN、SO2等，而HF气体基本为零，造成这种现象的原因可能是试样本身的F元素含量非常低，甚至还有一些未能完全燃烧，作为剩余试样和烟雾颗粒的形式保留。

在相同辐射强度下，试样在有引燃火焰模式下比无引燃火焰模式下释放的CO2和CO更多；在相同引燃火焰模式下，辐射强度越大释放的CO2和CO就越多。

此外，4种模式的CO2和CO释放量依次升高，这说明辐射强度越大，燃烧越充分，PVDF释放的CO2和CO有害气体就越多；同时，4种模式不完全燃烧的碳氢化合物释放量逐渐减少，说明4种模式的燃烧充分度是逐渐上升的，即辐射强度越大，有引燃火焰，燃烧越充分。

CO和CO2作为判断早期火灾探测的特征气体，研究其释放速率具有重要的意义。图2为CO2-时间曲线，图4为CO-时间曲线，根据气体释放过程的曲线斜率可以看出各气体的产生速度大小。

由图2可以看出,模式1中CO2的释放斜率基本变化不大，这是由于模式1中试样没有发生有焰燃烧，只是进行缓慢的阴燃，故整个试验过程CO2气体的释放速率基本相同。其他3种模式在试验前80 s，曲线的斜率和模式1基本相同；此后在80～400 s，斜率较大，并呈线性增大；400 s后，模式2曲线接近平缓，而模式3和模式4继续呈线性增加。这说明即使在燃烧的情况下，外部辐射强度越大，越有助于PVDF材料的热分解，从而释放更多的CO2。

图3为CO-时间曲线。由图3可以看出，4种模式下，均有CO产生，且4种模式释放的CO量依次升高。同时，由于模式1未发生有焰燃烧，只是在外部辐射强度下进行的表面材料热分解，故释放的CO气体较少。而在模式2、模式3和模式4中，在试验初始阶段，约80 s时，CO气体的释放量突然增大，而后又迅速降低，100 s后3种模式的曲线斜率方才呈线性稳定上升，3种模式的CO曲线斜率基本相同。约240 s后，3种模式的斜率发生变化：模式2>模式3>模式4。

结合表3、图2和图3发现，PVDF膜材在4种模式下均同时释放CO和CO2，说明PVDF膜材均发生不完全燃烧。

(1）在引燃火焰相同的情况下，辐射强度越高的模式，PVDF膜材受热分解就越多，质量损失率就越大；在辐射强度相同的情况下，有引燃火焰比无引燃火焰的模式质量损失率越大。

(2）热辐射强度达到50 kW/m2时，无论是否有引燃火焰，PVDF膜材均发生燃烧现象；在PVDF膜材在被引燃的情况下，各模式的比光密度变化不大，而未被引燃的情况下比光密度最大。

(3)PVDF膜材释放的主要有害烟气组分有CO、CO2和不完全燃烧的碳氢化合物，以及少量HCN、SO2等。在相同辐射强度下，试样在有引燃火焰模式下比无引燃火焰模式下释放的CO2和CO更多；在相同引燃火焰模式下，辐射强度越大释放的CO2和CO更多。这也说明辐射强度越大，燃烧越充分，PVDF膜材释放的有害气体就越多。