典型膨脹阻燃聚合物材料燃燒過程分析與模擬研究.pdf

1、傳統(tǒng)的阻燃體系中含鹵阻燃劑阻燃效果比較好，但由于在火災(zāi)中會放出腐蝕性、有毒的氣體，對環(huán)境危害較大。而膨脹阻燃體系通過膨脹成炭隔熱、隔氧起到阻燃作用，且有抑煙效果，對環(huán)境友好，已成為最有前途的阻燃技術(shù)之一。膨脹阻燃聚合物材料在火災(zāi)中的熱行為變化以及熱解化學(xué)反應(yīng)過程、燃燒過程都非常復(fù)雜，至今仍然沒有充分理解，因此有必要對其燃燒過程進行研究，以建立相應(yīng)的理論模型。 本文選取膨脹阻燃聚丙烯材料(IFR—PP)和純聚碳酸酯(PC)作為典型

2、材料，研究了兩種材料的膨脹阻燃特性。TG/FTIR聯(lián)用的分析結(jié)果表明，當溫度高于290℃(在空氣中)或440℃(在氮氣中)，由于添加劑的作用使IFR—PP聚合物材料熱穩(wěn)定性好于PP。通過調(diào)節(jié)膨脹阻燃劑的含量，可以使IFR—PP材料的阻燃級別達到V—0級，熱釋放速率大大降低。IFR—PP聚合物材料的炭渣分析結(jié)果表明，膨脹劑配方、含量的變化對炭層結(jié)構(gòu)的致密性、整體性都有很大影響。IFR—PP在低輻射功率下比在高輻射功率下更容易形成致密、均勻

3、的炭層。SEM分析表明，膨脹阻燃PP材料開始形成的炭層有利于起到有效隔熱隔氧作用。輻射功率、樣品厚度和樣品的安裝方式對純PC的燃燒行為都有影響。純PC的膨脹速度在燃燒過程中基本不變或有增加的趨勢。 本文還研究了IFR—PP和PC材料在錐形量熱儀條件下的熱傳遞過程。結(jié)果表明，輻射功率增加明顯加快IFR—PP材料表面溫度升高；膨脹阻燃劑的含量也對IFR—PP材料的表面溫度有影響。IFR—PP材料和純PP材料內(nèi)部溫度場分析結(jié)果表明，樣

4、品內(nèi)部距離上表面越近的位置溫度越高，距離上表面越遠的位置溫度越低。改變配方APP，PER的含量會影響IFR—PP材料內(nèi)部的傳熱。IFR—PP材料外部溫度場分析結(jié)果表明，當膨脹炭層膨脹到樣品上方測溫點位置，由于膨脹炭層的覆蓋作用導(dǎo)致測溫點溫度曲線下降之后再上升。此外，對樣品上方的測溫點，離樣品越遠(即越靠近錐形加熱器)，所能達到的最高溫度越大。純PC的表面溫度分析結(jié)果表明，不同輻射功率下PC樣品上表面溫度隨時間都呈現(xiàn)先升高后保持平穩(wěn)的趨勢

5、。純PC的內(nèi)部溫度場分析結(jié)果表明，溫度曲線中會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。 本文對IFR—PP的熱物性也進行了分析和研究。建立了火災(zāi)環(huán)境下材料加熱過程(聚合物分解之前)中估算材料熱導(dǎo)率的方法。采用DRX—Ⅰ熱導(dǎo)率測試儀測量并分析了IFR—PP材料熱導(dǎo)率在20℃～380℃的溫度范圍內(nèi)的熱導(dǎo)率隨溫度變化規(guī)律。膨脹阻燃聚合物材料比熱容的測試結(jié)果表明，由于熔融和分解吸熱導(dǎo)致膨脹PP材料比熱容曲線中出現(xiàn)了兩個峰值。膨脹PP材料燃燒后炭層比熱容由于氧化分

6、解放熱使比熱容在溫度超過127℃后出現(xiàn)了下降的趨勢。膨脹PP材料的熱擴散系數(shù)隨溫度增加而不斷減?。慌蛎汸P材料燃燒后炭渣的熱擴散系數(shù)隨溫度增加下降趨緩。用理論公式計算和實驗測量兩種方法得到了材料的表面發(fā)射率。用直接測量法測定了IFR—PP的表觀密度；炭渣的表觀密度和真實密度，并由此計算出炭渣的孔隙率。 本文通過實驗研究和理論分析建立了可以描述膨脹阻燃聚合物材料膨脹燃燒過程的模擬模型。該模型在傳統(tǒng)能量模型的基礎(chǔ)上強調(diào)了膨脹過程所涉