典型膨胀阻燃聚合物材料燃烧过程分析与模拟研究

论文摘要

传统的阻燃体系中含卤阻燃剂阻燃效果比较好,但由于在火灾中会放出腐蚀性、有毒的气体,对环境危害较大。而膨胀阻燃体系通过膨胀成炭隔热、隔氧起到阻燃作用,且有抑烟效果,对环境友好,已成为最有前途的阻燃技术之一。膨胀阻燃聚合物材料在火灾中的热行为变化以及热解化学反应过程、燃烧过程都非常复杂,至今仍然没有充分理解,因此有必要对其燃烧过程进行研究,以建立相应的理论模型。本文选取膨胀阻燃聚丙烯材料（IFR-PP）和纯聚碳酸酯（PC）作为典型材料,研究了两种材料的膨胀阻燃特性。TG/FTIR联用的分析结果表明,当温度高于290℃（在空气中）或440℃（在氮气中）,由于添加剂的作用使IFR-PP聚合物材料热稳定性好于PP。通过调节膨胀阻燃剂的含量,可以使IFR-PP材料的阻燃级别达到V-0级,热释放速率大大降低。IFR-PP聚合物材料的炭渣分析结果表明,膨胀剂配方、含量的变化对炭层结构的致密性、整体性都有很大影响。IFR-PP在低辐射功率下比在高辐射功率下更容易形成致密、均匀的炭层。SEM分析表明,膨胀阻燃PP材料开始形成的炭层有利于起到有效隔热隔氧作用。辐射功率、样品厚度和样品的安装方式对纯PC的燃烧行为都有影响。纯PC的膨胀速度在燃烧过程中基本不变或有增加的趋势。本文还研究了IFR-PP和PC材料在锥形量热仪条件下的热传递过程。结果表明,辐射功率增加明显加快IFR-PP材料表面温度升高;膨胀阻燃剂的含量也对IFR-PP材料的表面温度有影响。IFR-PP材料和纯PP材料内部温度场分析结果表明,样品内部距离上表面越近的位置温度越高,距离上表面越远的位置温度越低。改变配方APP,PER的含量会影响IFR-PP材料内部的传热。IFR-PP材料外部温度场分析结果表明,当膨胀炭层膨胀到样品上方测温点位置,由于膨胀炭层的覆盖作用导致测温点温度曲线下降之后再上升。此外,对样品上方的测温点,离样品越远（即越靠近锥形加热器）,所能达到的最高温度越大。纯PC的表面温度分析结果表明,不同辐射功率下PC样品上表面温度随时间都呈现先升高后保持平稳的趋势。纯PC的内部温度场分析结果表明,温度曲线中会出现转折现象。本文对IFR-PP的热物性也进行了分析和研究。建立了火灾环境下材料加热过程（聚合物分解之前）中估算材料热导率的方法。采用DRX—I热导率测试仪测量并分析了IFR-PP材料热导率在20℃380℃的温度范围内的热导率随温度变化规律。膨胀阻燃聚合物材料比热容的测试结果表明,由于熔融和分解吸热导致膨胀PP材料比热容曲线中出现了两个峰值。膨胀PP材料燃烧后炭层比热容由于氧化分解放热使比热容在温度超过127℃后出现了下降的趋势。膨胀PP材料的热扩散系数随温度增加而不断减小;膨胀PP材料燃烧后炭渣的热扩散系数随温度增加下降趋缓。用理论公式计算和实验测量两种方法得到了材料的表面发射率。用直接测量法测定了IFR-PP的表观密度;炭渣的表观密度和真实密度,并由此计算出炭渣的孔隙率。本文通过实验研究和理论分析建立了可以描述膨胀阻燃聚合物材料膨胀燃烧过程的模拟模型。该模型在传统能量模型的基础上强调了膨胀过程所涉及到的热力学问题,并提出了相应的热力学吸热模型。选取典型膨胀聚丙烯材料,并将该材料的实验结果与模拟结果进行了比较。验证结果表明,利用本模型模拟出来的温度曲线、样品厚度、质量损失速率曲线与实验结果吻合很好。研究结果表明,本模型可以合理地描述聚合物材料的膨胀行为,可以比较准确预测材料在燃烧过程中的温度分布、样品厚度随时间变化、样品质量损失速率随时间的变化等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 聚合物材料的热解与燃烧过程
• 1.3 聚合物热解与燃烧模型的研究进展
• 1.3.1 非成炭型聚合物材料热解燃烧模型的研究
• 1.3.2 成炭型聚合物材料热解燃烧模型的研究
• 1.3.3 计算方法
• 1.4 聚合物热解与燃烧性能表征方法
• 1.5 膨胀阻燃聚合物材料研究现状
• 1.5.1 膨胀阻燃体系的发展过程
• 1.5.2 膨胀阻燃体系基本组成
• 1.5.3 膨胀阻燃机理
• 1.6 膨胀阻燃聚合物材料燃烧的模拟研究
• 1.7 本论文研究内容、研究方法和技术路线
• 2 典型膨胀阻燃聚合物材料阻燃特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原材料与试剂
• 2.2.2 样品制备设备
• 2.2.3 样品制备方法与配方
• 2.2.4 产物的结构表征及性能测试方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 IFR-PP 聚合物材料膨胀阻燃特性的研究
• 2.3.1.1 IFR-PP 聚合物材料的热分解特性
• 2.3.1.2 IFR-PP 聚合物材料的阻燃特性
• 2.3.1.3 IFR-PP 聚合物材料的膨胀特性
• 2.3.1.4 IFR-PP 聚合物材料的炭渣特征
• 2.3.2 纯PC 材料膨胀阻燃特性的研究
• 2.3.2.1 纯PC 的阻燃特性
• 2.3.2.2 纯 PC 的膨胀特性
• 2.3.2.3 纯 PC 的炭渣特征
• 2.4 本章小结
• 3 典型膨胀阻燃聚合物材料热传递过程的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原材料与试剂
• 3.2.2 样品制备设备
• 3.2.3 样品制备方法与配方
• 3.2.4 性能试验及测试方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 IFR-PP 聚合物材料及纯 PP 燃烧过程温度场表征
• 3.3.1.1 IFR-PP 聚合物材料表面温度
• 3.3.1.2 IFR-PP 聚合物材料和纯 PP 材料内部温度场
• 3.3.1.3 IFR-PP 聚合物材料外部温度场
• 3.3.2 纯PC 材料燃烧过程温度场表征
• 3.3.2.1 纯 PC 的表面温度
• 3.3.2.2 纯 PC 的内部温度场
• 3.3.2.3 纯 PC 的外部温度场
• 3.4 本章小结
• 4 典型膨胀阻燃聚合物材料热物性分析与测试的研究
• 4.1 引言
• 4.2 热导率分析与测试的研究
• 4.2.1 热导率的理论基础
• 4.2.2 聚合物材料热导率估算方法的研究
• 4.2.3 膨胀阻燃聚合物材料热导率的测试
• 4.2.4 实验结果与讨论
• 4.3 比热容分析与测试的研究
• 4.3.1 比热容的理论基础
• 4.3.2 膨胀阻燃聚合物材料比热容的测试
• 4.3.3 实验结果与讨论
• 4.4 热扩散系数分析与测试的研究
• 4.4.1 热扩散系数的理论基础
• 4.4.2 热扩散系数的测试方法
• 4.4.3 膨胀阻燃聚合物材料热扩散系数的测试
• 4.4.4 结果与讨论
• 4.5 表面发射率分析与测试的研究
• 4.5.1 表面发射率的测试方法
• 4.5.2 实验结果与讨论
• 4.6 密度的测量
• 4.7 本章小结
• 5 膨胀阻燃聚合物材料燃烧过程模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 膨胀阻燃聚合物材料燃烧过程模拟的研究进展
• 5.3 膨胀阻燃聚合物材料燃烧过程中输运方程的理论推导
• 5.4 膨胀阻燃聚合物材料燃烧过程物理模型与数学模型的建立
• 5.5 模型的计算机求解
• 5.6 模型参数的灵敏性分析
• 5.6.1 热导率对模拟结果的影响
• 5.6.2 比热容对模拟结果的影响
• 5.6.3 密度对模拟结果的影响
• 5.6.4 表面发射率对模拟结果的影响
• 5.6.5 膨胀温度对模拟结果的影响
• 5.7 模拟结果与实验结果的比较
• 5.8 本章小结
• 本文结论、创新之处及进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录