摘要：介紹了高分子材料火災煙氣的毒性及其釋放規律，對煙氣中各毒性組分的毒害作用以及燃燒條件對煙氣釋放速率和總量的影響進行了全面分析，并根據高分子材料的阻燃機理和化學抑煙技術，提出了控制和減少有毒煙氣產生的措施。

　　關鍵詞：高分子材料；火災煙氣；毒性；措施

　　隨著科學技術和建筑業的飛速發展，高分子材料正以前所未有的速度改變和提高著人們的生活水平，被廣泛使用在建筑裝修、裝修材料和家具制造中。但是，由于大多數高分子材料均屬于易燃（B3級）或可燃（B2級）材料，在使用中遇到高溫會分解燃燒且熱釋放速率高，極易引發火災并產生大量有毒煙氣，阻礙了人員安全疏散和消防部隊的滅火救援行動，由此造成巨大的人員傷亡和經濟損失。以2007年底為例，在不到3個月的時間里，全國就連續發生3起死亡10人以上的重、特大火災：2007年10月21日，福建莆田一鞋面加工廠發生火災，造成37人死亡；2007年12月12日，浙江溫州溫富大廈和廣東東莞樟木頭咖啡廳均發生火災，分別造成21人和10人死亡。

　　國內外大量火災案例表明，火災死亡人數中70%-80%是直接受煙害中毒致死的，這些有毒煙氣主要來自于高分子材料在火災中的燃燒；其他被火燒死者中，大多數也是先被有毒煙氣熏倒而后才被火燒死的[1]。因此，高分子材料火災煙氣的預防和控制，已成為當前消防部門急需研究解決的重大課題之一。本文從高分子材料的分類、煙氣毒性、釋放規律等方面入手，對此進行了初步探討。

　　一、煙氣的主要成分及毒性

　　煙氣也叫煙霧，是可燃物質燃燒時產生的懸浮固體、液體粒子和氣體的混合物，其粒徑一般在0.01-10微米之間，它的成分和性質主要取決發生燃燒物質的化學組成和燃燒條件。人們常說：“風借火勢，火借風威。”其實，對于火場中的被困人員而言，煙害更甚于火；在建筑失火時，火龍遠未到達之處，無孔不入的煙氣早已開始狂暴施虐了。由于在火災中參與燃燒的物質和發生火災的環境條件比較復雜，特別是高分子材料在建筑、裝修及家具業中的廣泛應用，其燃燒產生的大量有毒氣體，使得火災煙氣的毒害性日趨嚴重，已經成為火場上導致人員死亡的最主要原因，被形象地稱為“火場第一殺手”。國內比較典型的案例有：1994年11月27日遼寧省阜新市藝苑歌舞廳火災,死亡233人,傷16人；1994年12月8日新疆克拉瑪依友誼館火災,死亡326人,傷134人；2000年12月25日河南省洛陽市東都商廈火災,死亡309人。美國的統計資料顯示，過去的四十年中,煙氣吸入致死占火災死亡總人數的70%-75%,而且該數字有上升的趨勢[2]。

　　高分子材料的燃燒反應一般要經歷聚合物鏈的高溫分解和分解產物的燃燒反應，組成不同的高分子材料在高溫下具有不同的分解方式，但結果都生成多種小分子碳氫化合物中間體而發生高溫燃燒反應。實驗結果表明，由于火場溫度梯度大、氧氣供應不足，高分子材料及其添加劑（如增塑劑、防老化劑、防腐劑、阻燃劑等）在燃燒過程中，常常發生不完全燃燒而產生大量的有毒氣體，包括CO、C02、S02、NH3、CH4、HCN、HCl等，其中CO、C02、HCN是火災中致人死亡的最主要的氣體[3]。

　　CO對人體的危害主要取決于它在空氣中的濃度及接觸的時間，CO與紅血球中血紅素（蛋白）的結合能力是氧氣的230-270倍（另一數據200-300），會搶先與血紅素結合而形成碳氧血紅素（一氧化碳血紅素，COHb），失去攜氧能力，造成組織窒息。接觸1h，安全的CO體積分數為0.04%-0.05%，人員疏散時CO體積分數不允許超過0.2%。但火災起初階段，CO在煙霧中的體積分數高達1%，發展階段CO體積分數高達4%-5%，最高可以到10%，可以使人瞬間死亡[4]。

　　CO2本身僅在體積分數較高時才有顯著的毒性，但低氧條件下毒性更為嚴重。空氣中正常C02體積分數為0.03%。火場現場中C02體積分數可達15%-23%。動物實驗表明，在正常含氧量（20%左右）條件下CO2體積分數升高，動物死亡率增加；在低氧（5%）的氣體中，可使1/10的動物死亡；但如果在低氧（5%）條件下，含11%的CO2便可使動物于60min內全部死亡川[4]。

　　HCN（氰化氫）是所有氰化物中中毒最快、毒性最強的一種，它可以使人體缺氧，抑制人體中酶的生成，阻止正常的細胞代謝，造成機體組織內窒息。人吸入20-40mg/m3數小時后，出現輕微癥狀；吸入120-150mg/m3后，0.5-1小時死亡；當達到300mg/m3時，立即死去。同時，當氰化氫與一氧化碳同時存在時，兩者的毒性呈相加作用[5]。

　　此外，大量的煙氣還會使火場中的含氧量低于人們生理正常所需的數值。在大部分火災情況下,氧體積分數降低所起的作用與CO相比是次要的。然而,對限定空間的火災實驗表明,缺氧的情況會在火災中進一步發展,當氧的體積分數達到10%-15%時即為臨界狀態,低于此會對人員安全產生嚴重的影響；如果氧的體積分數低于6%時，段時間內就會使人員因重度缺氧而窒息死亡。同時，在缺氧的火災環境下,CO的含量將會增加,此時血液中的氧會在雙重缺氧狀況下，這種缺氧狀態加之火災產生的熱、煙和其他氣體的毒害作用，可能會造成人體更為嚴重的危害[3]。

　　二、煙氣的釋放規律

　　熱解和不完全燃燒是高分子材料在火災中產生有毒氣體的兩種途徑。大量的研究表明，火災中有毒氣體的釋放速率和總量除了取決于燃燒溫度外，還與高分子材料是否阻燃有關。下面我們以聚氨酯泡沫塑料為例，就高分子材料火災煙氣的釋放規律進行分析：

　　聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡稱，是由異氰酸酯與多元醇反應制成的一種具有氨基甲酸酯鏈段（－NH－CO－O－）重復單元結構的高分子聚合物。泡沫塑料是聚氨酯合成材料的主要品種之一，它的主要特征是具有多孔性，因而相對密度小、比強度高，而根據所用原料和配方的不同，又可制成軟質、半硬質和硬質聚氨酯泡沫塑料。根據實驗結果顯示[6]，聚氨酯一般在150～300℃開始熱解，其產物主要是一氧化碳和氰化氫；在缺氧情況下，800℃裂解時還可產生二氨基甲苯、乙腈、丙烯腈、吡啶和苯腈等有毒氣體。以軟質聚氨酯泡沫（海綿）為例，由于自身比表面積大、對氧吸附性較強、熱穩定性差，因而當溫度高于60℃時就會發生軟化，溫度高于160℃時即分解自燃，遇明火或熾熱火焰時，就直接著火燃燒并釋放出濃煙和毒氣。而以硬質PAPI系泡沫為例，HCN（氰化氫）發生量最高溫度約為500℃，在這溫度以上，由于HCN自身可燃將著火燃燒，就會使HCN氣體發生量降低；反之，溫度低于500℃左右時，HCN的發生量就隨溫度的上升而增加。

　　另外，實驗結果還表明[7]，經過阻燃處理的塊狀軟質聚氨酯泡沫一旦發生燃燒，其有毒氣體釋放的速率和總量要比未經過阻燃處理的塊狀軟質聚氨酯泡沫燃燒時要大得多。單位面積（1M2）未阻燃的塊狀軟質聚氨酯泡沫在燃燒3min后，CO（一氧化碳）的釋放總量為6.7g，釋放最大速率為4.7g/min•m2,HCN（氰化氫）的釋放總量為710mg，釋放最大速率為1960mg/min•m2；而相同大小阻燃的塊狀軟質聚氨酯泡沫在燃燒3min后，CO的釋放總量為31.8g，釋放最大速率為21.2g/min•m2,HCN的釋放總量為3750mg，釋放最大速率為6670mg/min•m2。

　　因此，在火災初期，由于火場溫度還不是太高，高分子材料在發生分解和不完全燃燒時產生的CO、HCN（氰化氫）等有毒氣體（本身可燃）不能全部參與到火場燃燒中而被消耗，致使這一時期釋放出來的煙氣中有毒氣體含量最高、毒性最強，足以使身處火災中的人員在還不知道是怎么一回事或者還沒等消防人員到場施救的情況下已經中毒死亡了。這一點已被眾多的火災案例證明，其現狀往往慘不忍睹。以昆明市官渡區小板橋2006年“8.10”特大火災為例，起火地點為一沙發坐墊加工小作坊，消防隊員從接警到火災撲滅，僅用了40多分鐘的時間，過火面積150平方米，整個火災撲救可以說非常成功，但正是由于起火層1層中大量堆放的聚氨酯泡沫塑料（海綿）燃燒釋放出來的濃煙和有毒氣體，致使3層的7人、2層的1人和1層的2人在消防隊員成功救出時已經死亡。類型的情形，在今年年底的3起重大火災中再度上演。

　　三、防煙措施

　　首先，對建筑裝修、裝飾材料和家具制造中廣泛使用的高分子材料進行阻燃抑煙處理，是減少火災有毒煙氣產生的根本方法。在室內裝修時，須盡量采用不燃（A級）或難燃（B1級）材料，特別是頂棚應采用不燃裝修材料，頂棚材料阻燃性能應高于墻面，墻面應高于地面；一般規定樓梯間的裝修材料應采用A級；門廳和走道的頂棚應采用A級材料，其墻面和地面的裝修材料應采用不低于BI級材料。

　　（一）高分子材料的阻燃

　　阻燃劑是一類能夠提高高分子材料耐燃性，延緩燃燒速度或阻止其燃燒的助劑。一般而言，阻燃劑的阻燃作用主要體現在以下幾個方面[8]HO•、H•、•O•、HOO•等自由基，一旦自由基的連鎖反應被切斷，就使燃燒的火焰熄滅；4.阻燃劑可將燃燒熱分散或吸收，降低了聚合物的溫度，從而減緩了分解和燃燒；4.聚合物-阻燃體系能分解產生H2O、HCl、HBr、CO2、NH3、N2等不燃氣體，就可將可燃氣體稀釋，達到阻燃目的。：1.阻燃劑分解產物的脫水作用使有機物炭化變焦，從而促進單質碳的生成,所生成的炭黑皮膜，難以引起產生火焰的燃燒，從而起到阻燃的作用；2.阻燃劑分解形成不揮發性的保護皮膜覆蓋在樹脂的表面，從而把空氣遮斷，起到阻燃的目的；3.阻燃劑分解產物捕獲高分材料燃燒時分解的

　　根據阻燃劑的使用方法可分為添加型和反應型兩類，添加型阻燃劑是在高分子材料的加工過程中摻入到高分子材料中，多用于熱塑性高分子材料。反應型阻燃劑是在高分子聚合物合成過程中作為單體化學鍵合到高分子聚合物分子鏈上，多用于熱固性高分子材料，有些反應型阻燃劑也可用作添加型阻燃劑。按照化學結構，阻燃劑又可分為無機和有機兩類，在這些化合物中多含有鹵素和磷，有的含有銻、硼、鋁等元素。此外，硅和其化合物也可作為阻燃劑使用。

　　（二）高分子材料的抑煙

　　由于高分子材料大量采用的阻燃技術和工藝來降低其燃燒速度，致使高分子材料在燃燒過程往往發生不完全燃燒而釋放出大量的有毒濃煙，嚴重妨礙了火場中被困人員的逃生和救援人員的搜救行動，因此，在對高分子材料進行阻燃處理的同時，還必須采用化學抑煙技術來進一步增強高分子材料本身的抑煙作用，最大程度地減少燃燒所釋放的煙氣濃度。化學抑煙技術主要是采用氫氧化鋁、碳酸鈣等具有抑煙作用的化合物[9]。氫氧化鋁分解時吸熱,同時放出水蒸汽,可與煙霧中碳粒發生反應而吸熱,從而有效地降低氣相溫度,降低燃燒速度和煙量。

　　目前，在化學建筑材料中經常使用的阻燃消煙劑主要有[3]：1.鐵粉和氧化鉬的混合物；2.鐵粉、氧化鉬和氧化銅的混合物；3.氰亞鐵酸堿金屬鋅或氰亞銅酸鉀鋅；4鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鋇、鋯、錳或鐵的氧化物、氫氧化物、鹽或鏈烷羧酸鹽與磷酸三酯并用；5.雙茂乙基鐵；6.氧化釩或乙酰甲基2一羥基異丁酸釩；Cr2S3、Cu3N,Cu2S,CuS,FeS,MoB2,SnS2,TiB2的化合物及其混合物。

　　其次，要嚴格按照規范要求，不斷完善建筑防、排煙設施，以便切斷或阻止煙氣擴散蔓延，盡開排出火災產生的煙氣，確保被困人員的安全和疏散通道的暢通。

　　建筑中常見的防、排煙設施有：1.防煙分區。是指為控制煙氣的任意流動，在屋頂設置擋煙隔板、擋煙垂壁或者利用頂棚向下突出0.5米梁等構件，在建筑物的防火分區內劃分為多個防煙空間，再利用排煙設備通過排煙口、排煙管道等把煙氣排除。2.防煙樓梯間、封閉樓梯間。利用防火門、防火卷簾等設施，把用于疏散的樓梯間、電梯前室等做成相對封閉的安全空間，在火災的侵襲下保證有足夠的時間供人們疏散逃生。3.對中央空調的通風管道，在穿越樓層處、穿越防火防煙分區處設置防火閥，當管道內氣體的溫度達到一定數值時，防火閥自動關閉從而切斷高溫流動煙氣。對豎向管道井則采取每隔2～3層用非燃燒材料進行密封分隔，防止形成煙囪效應。4.機械送風設施。對于疏散樓梯間、電梯前室、避難層等人員疏散和避難空間，可以通過正壓送風的方式，提高空氣的壓力，使煙氣不能侵入這些部位。5.進行自然排煙時可開啟的外窗。在建筑物預設的可開啟外窗，火災時自動或人工方式打開外窗，將煙氣排到室外。

　　最后，要牢固樹立防煙意識與防火意識同等重要的觀念，在做好防火宣傳教育的同時，也要讓更多的人真正了解火災煙氣對人體巨大的危害性，使“煙氣猛于火”的思想能夠深入人心，切實提高人們在面對高溫、濃煙、有毒、混亂等復雜條件時的自救逃生能力。