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，我國是世界上ABS最大的消耗國。實際表明，未經(jīng)阻燃處理的ABS材料具有很高的火災(zāi)危險性，然而，迄今人們對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)危險性，納米材料的添加對于ABS的熱解過程、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)行了研究評價，這對于材料的火災(zāi)危險性評價是很有意義的。
　　本文的主要工作如下:
　　固態(tài)可燃物的熱解過程是火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的重要因素。首先對典型的固體可燃性材料的熱解過程進(jìn)行了研究，采用熱重分析和熱分析動力學(xué)方法，分別對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整體的曲線都會向高溫方向移動。DTG曲線的峰值對應(yīng)的溫度也發(fā)生右移，最大質(zhì)量損失速率的值降低。計算發(fā)現(xiàn)不同材料的活化能差別不大，說明納米添加劑的添加對于材料分解過程的差別不大。
　　TG實驗的測量結(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)部的傳熱過程，為了研究宏觀材料一維熱過程，綜合考慮材料內(nèi)部傳熱等因素。對于ABS和ABS/MMT納米復(fù)合材料

4、進(jìn)行了早期火災(zāi)特性實驗?？紤]了不同輻射功率的影響，實時測量了點(diǎn)燃時間、質(zhì)量損失速率和底面溫度。對于火災(zāi)早期特性實驗臺的實驗結(jié)果和錐形量熱儀實驗下的PP（聚丙烯），PP/MMT及ABS、ABS/MHR（金屬氫氧化物納米棒）/GNS（石墨烯）熱解的實驗結(jié)果借助熱解模型Thermakin進(jìn)行了數(shù)值模擬。對于底面溫度、熱釋放速率、質(zhì)量損失速率等主要的實驗結(jié)果隨時間的變化曲線與模擬結(jié)果進(jìn)行對比。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，對聚合物的熱物性參數(shù)和炭層的傳熱傳質(zhì)特性對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程的中重要參數(shù)。為了研究納米添加劑MMT對于ABS的火蔓延特性，進(jìn)行了一系列的比較試驗。同時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火焰形態(tài)和火蔓延速率的影響。在沒有側(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。在沒有側(cè)壁的情況下，MMT的加入會增加火焰寬度，降低火焰高度;有側(cè)壁的情況，會增加火焰寬度，火焰高度變化不大。MMT的添加可以降低火蔓延速率，特別是在沒有側(cè)壁的情況下。這主要是由于加入MMT將會形成疏松炭層，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，而沒有側(cè)壁的情況火蔓延速率隨著樣條的變化有一個轉(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流熱流的降低量的相對大小。
　　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)管式爐實驗。在通風(fēng)良好時，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的加入會降低CO的產(chǎn)量;其他情況下，使用納米

8、添加劑對火災(zāi)有毒氣體產(chǎn)量影響不大。阻燃劑的存在會降低材料的熱危害，但是本文中發(fā)現(xiàn)這些納米阻燃劑的添加并沒有增加火災(zāi)毒性，特別是對于危險性較大的通風(fēng)不良的火災(zāi)階段。最后用計算機(jī)模擬與實驗結(jié)果進(jìn)行了比較研究，顯示模擬數(shù)據(jù)與測量數(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試、火蔓延速率測試和小尺寸穩(wěn)態(tài)管式爐毒性測試，選取相關(guān)的評價指標(biāo)，結(jié)合層次分析方法，對ABS及其納米復(fù)合材料的火災(zāi)危險性進(jìn)行合理的量化評價，