丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物及其納米復(fù)合材料的熱解火蔓延特性及毒性研究.pdf

1、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯組成的三元共聚物。由于其高強(qiáng)度、高韌性、抗藥性、易加工和很高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，ABS廣泛應(yīng)用于交通和運(yùn)輸、電子和建筑材料等領(lǐng)域。目前，我國(guó)是世界上ABS最大的消耗國(guó)。實(shí)際表明，未經(jīng)阻燃處理的ABS材料具有很高的火災(zāi)危險(xiǎn)性，然而，迄今人們對(duì)ABS材料的燃燒和火災(zāi)特性的研究還不夠深入全面，特別是該類材料的火災(zāi)特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏，材料自身及外界因素對(duì)其熱解、火蔓延和毒性規(guī)律不明。納米

2、復(fù)合阻燃材料大大降低了火災(zāi)危險(xiǎn)性，納米材料的添加對(duì)于ABS的熱解過(guò)程、火蔓延特性和火災(zāi)毒性均產(chǎn)生影響，但是這方面缺乏系統(tǒng)研究。因此，十分有必要研究對(duì)ABS及其納米復(fù)合材料的主要火災(zāi)相關(guān)因素進(jìn)行了研究評(píng)價(jià)，這對(duì)于材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是很有意義的。
　　本文的主要工作如下:
　　固態(tài)可燃物的熱解過(guò)程是火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的重要因素。首先對(duì)典型的固體可燃性材料的熱解過(guò)程進(jìn)行了研究，采用熱重分析和熱分析動(dòng)力學(xué)方法，分別對(duì)ABS、ABS/C

3、NT和ABS/MMT材料進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)了隨著升溫速率的增加，TG和DTG整體的曲線都會(huì)向高溫方向移動(dòng)。DTG曲線的峰值對(duì)應(yīng)的溫度也發(fā)生右移，最大質(zhì)量損失速率的值降低。計(jì)算發(fā)現(xiàn)不同材料的活化能差別不大，說(shuō)明納米添加劑的添加對(duì)于材料分解過(guò)程的差別不大。
　　TG實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果主要可以判斷材料本身的熱分解機(jī)理，并不涉及材料內(nèi)部的傳熱過(guò)程，為了研究宏觀材料一維熱過(guò)程，綜合考慮材料內(nèi)部傳熱等因素。對(duì)于ABS和ABS/MMT納米復(fù)合材料

4、進(jìn)行了早期火災(zāi)特性實(shí)驗(yàn)?？紤]了不同輻射功率的影響，實(shí)時(shí)測(cè)量了點(diǎn)燃時(shí)間、質(zhì)量損失速率和底面溫度。對(duì)于火災(zāi)早期特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)下的PP（聚丙烯），PP/MMT及ABS、ABS/MHR（金屬氫氧化物納米棒）/GNS（石墨烯）熱解的實(shí)驗(yàn)結(jié)果借助熱解模型Thermakin進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)于底面溫度、熱釋放速率、質(zhì)量損失速率等主要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果隨時(shí)間的變化曲線與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。借助合理的輸入?yún)?shù)，一維熱解行為可以被更為準(zhǔn)確的模擬

5、。最后，對(duì)聚合物的熱物性參數(shù)和炭層的傳熱傳質(zhì)特性對(duì)于熱釋放速率的影響進(jìn)行了討論。MMT作用下生成的疏松的炭層可以看做隔熱層，而在ABS/MHR/GNS作用下生成的致密炭層可以看做質(zhì)量傳輸阻隔層。
　　火蔓延特性是可燃物燃燒過(guò)程的中重要參數(shù)。為了研究納米添加劑MMT對(duì)于ABS的火蔓延特性，進(jìn)行了一系列的比較試驗(yàn)。同時(shí)考慮了試樣寬度和側(cè)壁的影響。主要考慮了納米添加劑對(duì)火焰形態(tài)和火蔓延速率的影響。在沒(méi)有側(cè)壁的情況下，火焰寬度高度都隨樣條

6、寬度的增加而增加;在有側(cè)壁情況下，火焰寬度基本不變，火焰高度增加。在沒(méi)有側(cè)壁的情況下，MMT的加入會(huì)增加火焰寬度，降低火焰高度;有側(cè)壁的情況，會(huì)增加火焰寬度，火焰高度變化不大。MMT的添加可以降低火蔓延速率，特別是在沒(méi)有側(cè)壁的情況下。這主要是由于加入MMT將會(huì)形成疏松炭層，作為隔熱層，降低了可燃?xì)怏w的釋放量，從而降低了火焰的反饋輻射熱流。有側(cè)壁的情況下，火蔓延速率隨樣條的寬度增加而增加，而沒(méi)有側(cè)壁的情況火蔓延速率隨著樣條的變化有一個(gè)轉(zhuǎn)折

7、點(diǎn)。變化的差異性主要取決于輻射熱流的增量與對(duì)流熱流的降低量的相對(duì)大小。
　　火災(zāi)毒性是導(dǎo)致火災(zāi)傷亡事故的最主要原因。隨著各種新型材料的廣泛應(yīng)用，火災(zāi)煙氣中毒性氣體成分趨于多樣化和復(fù)雜化。本文對(duì)ABS及ABS/MMT和ABS/CNT納米復(fù)合材料進(jìn)行了不同溫度和通風(fēng)條件下的穩(wěn)態(tài)管式爐實(shí)驗(yàn)。在通風(fēng)良好時(shí)，CO的產(chǎn)量更低，CO2和O2的量更高，有更高的燃燒效率。在通風(fēng)良好625℃，MMT和CNT的加入會(huì)降低CO的產(chǎn)量;其他情況下，使用納米

8、添加劑對(duì)火災(zāi)有毒氣體產(chǎn)量影響不大。阻燃劑的存在會(huì)降低材料的熱危害，但是本文中發(fā)現(xiàn)這些納米阻燃劑的添加并沒(méi)有增加火災(zāi)毒性，特別是對(duì)于危險(xiǎn)性較大的通風(fēng)不良的火災(zāi)階段。最后用計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較研究，顯示模擬數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)有較好的吻合程度，證明了數(shù)值模擬的可靠性。
　　綜合錐形量熱儀方法測(cè)試、火蔓延速率測(cè)試和小尺寸穩(wěn)態(tài)管式爐毒性測(cè)試，選取相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合層次分析方法，對(duì)ABS及其納米復(fù)合材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行合理的量化評(píng)價(jià)，