第二章  火災時之煙與毒氣

第一節  煙之理化性質

一、煙粒子之形態

    所謂煙者指可燃物在燃燒時含有瓦斯之液體微粒子及固體之煤煙等物懸浮擴散在空氣中之物。煙粒子在表面及內部吸附多種有毒氣體及易反應之熱分解生成物。所以吸入大量煙粒子時會中毒甚至致命。火災時依可燃物之種類，燃燒時之溫度，氧氣量等因素直接影響煙毒性之高低。煙之液狀粒子由表面張力之關係形成略呈球狀之液狀物，此時主成分為水或由油類為主成分之粒子所構成。因屬於液態之故能溶在內部及附在表面之毒氣量有限。固體粒子之形狀不一，由燃燒物之材質，生成時之條件產生之固體粒子有時為多孔質狀，此時比實心  粒子能吸附較多各種氣體。

    木材在燃燒時可得接近白色煙，粒子之直徑約在0.5~1.0μm，形狀略呈球狀而附著約50%揮發性物。一般塑膠材料在燃燒時產生之煙能吸附約有20%揮發性物，當有火焰而氧氣不足時黑煙則多，此種粒子與白煙之形狀，大小有顯著不同，其直徑通常在0.1至數拾μm之間，不定形粒子中常有多數球形粒子凝集成為一團，白煙粒子只需兩個以上之粒子碰撞時易成為一個粒子而迅速沈降。木材及塑膠煙均為不定形。由熱分解及燃燒產生之煙依可燃物之材質、量、燃燒溫度、氧氣濃度等條件所產生之煙成分各異。

二、煙濃度之測定

    為了解煙之理化性需研究煙粒子之大小及分佈狀態。但以實務之立場對煙濃度之了解比研究分佈狀態較為實用。雖然國外有眾多在集煙箱內進行煙濃度之研究但火災時所受因素繁多，且燃燒條件不易控制，所以在集煙箱中所得結果難以適用在火場。

    通常煙濃度以單位容積之重量或可用粒子數目表示:設粒徑0.14μm，比重1.3時減光係數1m-1下重量濃度為0.1~0.6×10-3mg/cm3，個數濃度為0.7~3×108/cm3，火災時煙粒子之分佈受氣流之局部加熱、亂流擴散、凝集、沈降等影響時常改變濃度，同時隨著煙之移動遭遇之障礙物等影響現場之煙測定不易進行。僅以層狀在走廊、樓梯、避難路線流動時無法掌握建築物內部之煙分佈狀態，因此煙中之避難行動容易受阻。火災時需考慮煙濃度之問題尚需注意煙中之毒氣，熱分解生成物，氧氣濃度，周圍溫度，氣流等因素。避難時能見度由煙濃度所支配而能見度則由視覺所判斷．火災研究工作者通常採用光學測定法。煙濃度之測定原則上仍沿用Lambert-Beer法則建立下列公式：

      I＝loe-CsL................................................................(1)

Cs＝

1

log e

Io

＝

2.303

log 10

Io

...........(2)

L

I

L

I

    Io＝無煙時光之強度

I＝有煙時光之強度

L＝光源與受光部之距離(m)

由上列所定煙濃度與煙中之能見度之距離關係成立下式：

Cs ×V＝Const………………………………………(3)

     V＝煙中能見度之距離(m)

減光係數Cs與煙粒子之半徑，單位體積中煙粒子數目間似可成立下式：

Cs＝απr3N…………………….................................(4)

α＝煙粒子之光吸收性

r＝煙粒子之半徑

N＝單位體積中煙粒子之數目

各種材料在燃燒時產生之煙濃度測定例可參考日本東京消防廳之資料。

三、煙之老化現象

煙粒子之密度比空氣大，在空氣中由大粒子至小粒子依次沈降，粒子半徑在1μm以下者較能長久懸浮在空氣中。煙粒子有布朗運動之關係，煙粒子時常互相碰撞並凝集成為1μm以上之粒子而開始下沈。粒徑0.01μm以下者，因擴散快當遭遇障礙物時易附著於表面不定形且多孔質之物體上。由此可見，煙之濃度常在變化之中。

    有關木材煤煙之凝縮對煙濃度之減衰依文獻(12)以下式表示：

1

－

1

＝

β.t

……………………..........(5)

Cs(t)

Cso

Cso＝凝縮前(時間 t＝0)時之煙濃度

    Cs(t)＝時間t之煙濃度

    β＝表面上之凝縮係數

四、煙之流動性

煙之比重與空氣接近。但火災時含煙之空氣受熱關係成為熱氣流帶煙移動，其移動速度及方向在建築物內視建築物結構而異。目前密封式高樓林立，設有中央空調之建築物一但有火災，而未斷電時煙迅速自空調系統擴散至建築物內。在實驗室用下圖壓克力集煙箱觀察煙之流動性時，可見由導煙管進入之煙直接上升接觸到箱上方後向四周擴散，此後遭遇到四面壓克力板所擋，而以類似對流方式往下沈。依煙流入量之增加煙層厚度逐漸增加至完全充滿集煙箱後逸出。

圖7 煙在集煙箱中之流動趨勢

五、煙對避難人員之影響

火災發生後周圍彌漫大量煙對受困人員而言，視線受阻無法判斷樓梯、標誌、出入口、逃生方向而在心理上產生恐懼感。當嗆到含有毒氣體之煙，又有缺氧之環境下，受困時間延長，引起生理上之不適，以致昏倒。火災案件通常在於心理上毫無準備之下發生，尤其進入不熟悉建築物內遭遇火災時易產生恐慌失措。

    過去在國內發生過死傷較多案件中可發現避難人員在心理上似有共同點，則避難時對火焰及煙有恐懼感而一直想向明亮方向移動，並選擇空間較大之場所避難，在常出入之建築物內由本能選擇常用之出入口逃生當發覺一時無法逃生時，試尋找狹小偏僻處藏匿，危急時或有出現跳樓之異常行動發生。

六、煙之化學性質

燃燒時煙之生成有兩種徑路，其一為熱分解生成物在氣相中未燃燒前被冷卻，凝集而被排出。另一路徑為熱分解生成物在火焰中生成游離碳。屬於前者之煙沸點高由分子量大之液體粒子所形成，後者以煤煙為主成分之固體微粒子。

    煙之化學成分依燃燒物之材質、構成成分、化學結構、共存物之種類、燃燒物、氧氣量而異。雖屬單一材質，但燃燒溫度之高低則產生不同產物，對生成物間之比例也有改變。煤煙之生成有乙炔學說較為可信，則燃燒時產生乙炔，此物經聚合，再脫氫，而成為煤煙。火焰中之碳粒常在火焰內被氧化而消失，但分解生成物中有過多之含碳物時部分未完全氧化而排出於火焰外成為煤煙。高分子之燃燒能生成液體系及固體系煙。液體系煙在無焰燃燒時，固體系煙則在有焰燃燒時發生。

    木材在初燃時會產生熱分解生成物，此等物則有木材煙之主成分。木材煙之化學成分由木材之種類而異，以松樹木材為例其分解生成物中液體部分木焦油約有11~12%最多，其次為醋酸約有3.5%，1%以下者依次有甲醇、丙酮、酮類、固體部分碳約在37~38%，另有20多%水分及一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙炔、木瓦斯等。上列各成分在火災時形成所謂煙。在燻燃時木醋，木焦油及水之微粒子多所以呈淡色煙，在發焰燃燒時可燃物質之大部分係碳數較多之成分，此時倘遇缺氧時固體碳被游離出來，煙則呈為黑色。火災時依燻燃狀態或發焰狀態煙之顏色則有不同。

    塑膠系在燃燒時依合成原料產生不同種類之毒氣，其本身又屬於高分子故黑煙多。塑膠系在不同溫度下亦產生不同種類及不同比例之熱分解生成物。以酚樹脂為例，一氧化碳在300℃時產生3.5%，在800℃時增至16.2%，1200℃時達到24.6%。乙炔、乙烯西等含量在濕度愈高下似有增加之趨勢。依乙炔學說，此等物在高溫下起聚合再脫氫形成未完全燃燒之方式排出於火焰外，成為黑色煙之主要來源。塑膠系在燃燒時產生之煙含不同種類之毒氣，如800℃時聚乙烯能釋出一氧化碳、醛類；氯聚乙烯能釋出一氧化碳、醛、氰化物、氨氣等，壓克力系則有氰化物、一氧化碳等。此等毒氣在火災時對人體構成威脅。因此火場之煙需要正確掌握流動方向、量、成分等之必要。

七、各種材料之發煙特性

火災時產生何種煙則視使用在建築物中所用建材之種類而定。其發煙特性可用單位重量之發煙量及對單位時間之發煙量表示。至於發煙量則受材質之化學組成、形狀、燃燒溫度、氧氣濃度而異。在一定條件下之發煙量可自煙擴散容積及當時之煙濃度(減光係數)依下式計算。

    C＝Cs．V............(1)       C：發煙量；Cs：煙濃度；V：煙擴散之容積

    材料之燃燒重量為W時有下式關係

    C＝Cs．V＝K．W............(2)

    發煙量之時間變化為

dc

＝

K．

dw

..........…(3)

dt

dt

dw/dt：燃燒速度，dc/dt：發煙速度，K：發煙係數

發煙係數可分為對燃燒單位重量之發煙量(重量發煙係數K)及燃燒單位面積發煙量之面積。

發煙係數(CA)：

    以材料之燃燒重量為W，材料之燃燒面積為A時

CA=C/A=CS．V/A………(4)

K=C/W=CS．V/W……….(5)

發煙速度

一定量材料在燃燒時產生之發煙量為發煙係數，實際上火災時無一定速度之燃燒可言，所以發煙係數與發煙速度相同成為重要因素。發煙速度可自熱分解速度與發煙係數之乘積而得。雖然同一材質但發煙速度在不同溫度下所受影響甚大，尤其木材系與塑膠系有明顯差別。通常木質材料之發煙速度在低溫時與溫度之上升成比例，但加熱溫度升高時與低溫時相反發煙速度變低，其理由為在450~500℃附近有相當於堵焰燃燒與燻燃燒之界限存在，而因兩者之間煙粒子之產生機構不同所致。

    另一面塑膠材料比木質材料之發煙速度大，著焰燃燒時與木質材料相反發煙速度急速增加。通常塑膠材料在燃燒時分解比木質材料快速，雖有著焰燃燒之現象，但可認為發煙速度之增加歸納為氧化反應不完全為主要原因。

第二節  高分子材料之燃燒與毒氣

一、木材

    建築材料，裝璜、傢具、日常用品等由高分子化合物所佔比例相當多，目前塑膠系材料之使用極為普遍，火災時不但釋出大量濃煙，同時在熱分解產物中含有多種有毒化合物，對避難人員及消防人員構成極大威脅。高分子材料可分為天然及合成兩大類。天然高分子材料中與火災有密切關係者以木材及木棉、羊毛及蠶絲為主。其中木材由50%纖維素及各25%半纖維素及木質素所構成。木材加熱至260℃左右則有旺盛之熱分解，此時有小火焰則能引火，在防火工學上260℃稱為木材之發火危險溫度。當繼續加熱時不需火焰而直接發火。依木材種類之不同發火溫度稍異，大體上在於400~450℃惟值得注意者長時間在100~200℃加熱時溫度雖比上列數字低，但仍有起燃之案例。木材之發火過程可分為三階段：

  (1)長時間不斷被加熱時在較低溫下開始有緩慢之熱分解，內部結構轉變為多孔質結構。

  (2)形成多孔質後促進木材內部之氧化作用，同時熱傳導降低。

  (3)最後木材內部之蓄熱導致分解加速，溫度上升而發火。

表8及表9為主要木材之引火溫度，自下表可獲知木材與其他高分子化合物相同，加熱溫度不同時產生熱分解物之量則有不同(12)。

 

 

表8 木材在不同溫度下之熱分解產物及量(12)

組成

闊葉樹

針葉樹

 

300℃

400℃

500℃

300℃

400℃

500℃

生

成

物

(Wt%)

木炭

45.9

33.6

29.8

49.2

35.4

31.5

木醋

24.7

28.8

30.2

24.0

26.7

27.7

木焦油

16.8

21.1

21.3

14.4

21.4

22.8

木瓦斯

12.1

16.0

18.5

12.1

15.3

18.0

其他

0.5

0.5

0.2

0.3

1.2

0

木碳

(Wt%)

C

73.5

73.4

90.5

74.3

84.2

90.4

H2

5.1

3.9

3.2

5.3

4.3

3.4

瓦

斯

(Vol%)

CO2

65.4

57.1

50.7

64.3

57.9

49.3

CO

30.4

30.2

29.9

29.1

29.2

29.7

CH4

1.6

8.4

14.6

3.6

9.3

15.7

CmHn

1.5

2.5

2.2

1.0

1.9

2.1

H2

1.1

1.8

2.6

2.0

1.7

3.2

 

表9 木材之引火溫度及發火溫度(12)

種類

密度（g/cm3）

引火溫度（℃）

發火溫度（℃）

桐

0.23

269

435

杉

0.32

240

435

檜

0.35

253

446

櫻

0.36

257

442

松

0.42

262

437

楓

0.46

253

445

桂

0.50

270

455

櫸

0.76

264

426

二、天然纖維

天然纖維可分為植物纖維與動物纖維，植物纖維再細分為棉、麻、竹、草等，動物纖維以羊毛、蠶絲為主。此等纖維在燃燒時產生之瓦斯各有不同。木棉、麻等纖維由纖維素所構成。如圖8所示纖維素係葡萄糖以β-1,4結合而成之高分子，其聚合度有2000以上，所含元素有碳，氫及氧等元素。純纖維素在燃燒時產生之瓦斯以二氧化碳及一氧化碳為主，其他有痕跡之酸。動物纖維以羊毛及蠶絲為代表。羊毛之主成分為角蛋白質(Keratin)，所含元素有碳，氫、氧、氮及硫等五種。蠶絲則由絲蛋白(Fibroin)所構成，比羊毛少一種硫元素。羊毛及蠶絲之化學構造比纖維素複雜(圖9、10)，燃燒時產生CO及CO2外尚有HCN，羊毛在燃燒時化學構造中含有硫之故易分析出H2S，SO2等氣體。(表10)

圖8 纖維素之化學構造β-1,4結合

圖9 羊毛之化學構造

圖10 蠶絲之化學構造

 

表10  羊毛、蠶絲之燃燒生成瓦斯及熱分解瓦斯(12)

燃燒條件

生成瓦斯

羊   毛

蠶   絲

空氣氣流中

N2中之熱分解

空氣氣流中

N2中之熱分解

二氧化碳

7.30

14.23

11.10

3.00

一氧化碳

3.10

5.40

3.67

4.30

氧

9.70

2.48

5.73

3.15

不飽和碳氫化合物

0.35

1.48

0.30

1.00

飽和碳氫化合物

0.95

2.10

－

1.85

硫化氫

0.25

7.63

－

－

二氧化硫

0.10

－

－

－

甲烷

0.30

2.85

1.17

0.65

氨

2.31

52.80

3.29

57.30

氫

0.35

1.33

1.27

1.90

氫化氰

1.98

4.80

4.45

10.70

氮

73.32

4.88

69.03

10.10

三、合成高分子材料

合成高分子化合物來自於單體(monomer)為原料，經過聚合，縮合或附加反應而得之物、原料單體之主要來源為石油系，不同分餾區分中自C2可得乙烯，由C3可得丙烯，C4能製得丁二烯，C6~C9則有苯、甲苯及二甲苯等，此等物均屬合成高分子化合物之基本原料。合成而得之日用品種類繁多不勝枚舉，惟節錄生活圈內常見之成品在熱分解過程中產生之瓦斯種類及不同溫度下產生之量供給消防工作者之參考。

(1)聚氯乙烯(PVC. Polyvinyl chloride)

氯乙烯(CH2＝CHCl)聚合體，約含6%氯，所以燃燒不易，Cl愈多則有自熄之效果。添加之製劑愈多，則變成為易燃。

 

表11 PVC在不同溫度下之熱分解生成瓦斯(12)

加熱溫度(℃)

350

600

600

850

850

試料重量(g)

0.5

0.25

0.5

0.25

0.5

加熱條件

空氣氣流中(450ml/min)

生成物名稱

註： 生成量：對試料之%

鹽酸HCl

47.2

42.3

46.0

24.3

40.6

一氧化碳CO

1.0

43.0

35.6

18.5

16.6

二氧化碳CO2

1.7

65.7

40.8

99.7

54.8

氫氣H2

－

0.11

0.16

0.37

0.50

甲烷CH4

－

1.7

1.7

2.4

3.4

乙烷C2H6

－

0.14

0.14

0.03

0.06

乙烯C2H4

－

0.38

0.63

0.41

1.3

苯C6H6

5.4

4.8

4.7

1.3

31

甲苯Ph－CH3

－

0.18

0.22

0.31

0.89

渣(Residue)

40.2

0.3

2.4

－

－

 

(2)聚氨基甲酸乙酯(Polyurethane) PUR

分子主鏈中有(-NHCOO-)結合之易燃性高分子，其他尚有醚結合，酯結合，尿素結合，接芳香族，脂肪族等基，因有多種分子結構所以應用範圍甚廣。據齊藤等(10)研究聚氨基甲酸乙酯在500℃，空氣流量220 ml/min下熱分解之生成瓦斯mg /g為CO2 88，CO 57，HCN<2，CH4 4.6，C2H6 1.3 C3H6 29，C4H8 0.38，CH3CHO 32，CH3COCH3 13。

(3)聚乙烯(Polyethylene) PE

乙烯(CH2=CH2)之聚合體，熔化時之粘度小，所以容易加工之熱可塑性樹脂，有良好之絕緣性，可防濕，耐低溫，成品有柔軟性等優點。據文獻聚乙烯在500℃，空氣量220 ml/min，試料100mg下其熱分解生成瓦斯(mg/g)有CO2 120，CO 120，CH4 2.5，C2H4＋C2H2 18，C2H6 1.6，C3H6 12，C3H8 2.5，CH3OH 6.2，CH3CHO 10，CH2CHCHO 8.4。

(4)聚丙烯(Polypropylene) PP

丙烯(CH3CHCH2)之聚合體，化學結構及物理性質與聚乙烯類似，機械強度佳，耐熱，耐藥，絕緣性質良好，因透明度高，蒸氣，液體之透過性低所以常用於包裝用。聚丙烯在500℃，空氣流量220 ml/min下試料100mg時熱分解生成瓦斯mg/g為CO2 21，CO 25，CH4 1.5，C2H4 2.1，C2H2 2.1，C2H6 27，C3H6 27，C4H8 4.8，CH3OH 5.6，CH3CHO 7.9，CH2CHCHO 3.9。

(5)聚苯乙烯(Polystyrene) PS

苯乙烯Ph－CH＝CH2之聚合體，具有成形性及透明性屬於熱可塑性樹脂。塑膠系統中比較容易燃燒之一。合成橡皮SBR係苯乙烯與丁二烯乳化聚合之物。聚苯乙烯在700℃，空氣供應量50 cc/hr下試料0.1g時燃燒生成瓦斯為CO2 290，CO 207，CH4 6.5，C2H2 6.4，mg/lg sample(3)。

(6)聚酯(Po1yester)

聚酯在分子中有酯結合(-CO－O-)之高分子化合物之總稱，多價醇與多鹽基酸之聚縮合體而主要產品有聚酯纖維，不飽和聚酯樹脂。聚酯在500℃，空氣流量200ml/min，試料100mg時熱分解生成瓦斯(mg/g)為CO2 290，CO 85，CH4 1.7，C2H4 2.7，C2H6 0.14，C3H6 0.18，C6H6 2.7，CH3－Ph 0.23，CH3CHO 14。

(7)聚丙烯腈(Polyacrylonitril)

丙烯腈(CH2＝CHCN)之聚合體，白色或淡黃色之不透明粉末，易受聚合之故常加入苯乙烯或丁烯共聚合當作成型用塑膠，代表性之產品有AS樹脂、ABS樹脂及NBR橡皮等。聚丙烯腈在500℃，空氣流量220ml/min，試料100mg下其熱分解生成瓦斯(mg/lg sample)為CO2 73，CO 12，HCN 6.6，CH4 3.4，C2H2＋C2H4 0.6，C2H6 0.79，C3H6 0.27，C3H8 1.4，CH3OH 2.0，NH3 2.6，CH2CHCHO 5.6(12)

如上所述在不同溫度，不同氧氣含量下自同一物質所生成之瓦斯量，種類則有不同，火災時燃燒條件所受因素甚多無法指明生成瓦斯量及種類，但東京消防廳消防科學研究所將經悶燒時之氧氣濃度設為11.7%，另以燃燒時之氧氣濃度21%下進行多種高分子材料之熱分解生成瓦斯試驗其結果可當參考。

 

表12各種高分子材料之主要燃燒生成瓦斯(8,12,15)

分

類

材料種類

主要生成瓦斯

悶燒時(O2 11.7%)

燃燒時(O2 21%)

熱硬化樹脂

Phenol

CO2, CO, C6H6, HCHO

Ph－CH3

CO2,CO,HCHO

Urea

CO2, CO, HCN, HCHO

CO2, CO, HCN, HCHO

Melamine

CO2, CO, HCN, HCHO

CO2, CO, HCN, HCHO

Unsaturated Polyester

CO2, CO, HCOOH,

Ph－COOH

CO2, CO

Epoxy

CO2, CO, C6H6, HCHO

CO2, CO

熱可塑性樹脂

Polyethylene

CO2, CO

CO2, CO,－CHO

Polyvinyl chloride

CO2, CO, HCl

CO2, CO, HCl, COCl2

Polyvinyl acetate

CO2, CO,C6H6,Ph－CH3

CO2, CO

Polyvinyl alcohol

CO2, CO, -CHO

CO2, CO, -CHO

Polyvinyl butyral

CO2, CO, -CHO

CO2, CO, -CHO

Vinylidene chloride

CO2, CO, HCl

CO2, CO, HCl

Polytetrafluoro ethylene

CO2, CO, F4Si

CO2, CO, F4Si

Polytrifluoro ethylene

CO2, CO, HF, HCl

CO2, CO, HF, HCl

Polymethylmeta

acrylate

CO2, CO

CO2, CO

Polyacrylonitrile

CO2, CO, NH3, HCN

CO2, CO, NH3, HCN

Polystyrene

CO2, CO, CH3, -CHO

CO2, CO,

ABS resin

CO2, CO, HCN

CO2, CO, HCN

Polypropylene

CO2, CO

CO2, CO, -CHO

Polyurethane

CO2, CO, HCN, -CHO, NO2

CO2, CO, HCN, -CHO, NO2

Polyamide

CO2, CO, NH3, HCN

CO2, CO, NH3, HCN

Polycarbonate

CO2, CO

CO2, CO

Saturated Polyester

CO2, CO

CO2, CO