典型非碳化聚合物材料熱解及逆流火蔓延實驗和理論研究.pdf

1、固體可燃物熱解及火蔓延是火災初始和發(fā)展階段的重要分過程，決定著后續(xù)火災的發(fā)展，因此一直是國內(nèi)外眾多學者重點研究的對象。熱解又是火蔓延的子過程，兩者有著密切的關(guān)系。非碳化聚合物材料作為現(xiàn)代建筑中廣泛應用的裝飾材料，其在火災中表現(xiàn)出的諸多特殊蔓延行為越來越多地受到研究者的關(guān)注。在外部熱流作用下，非碳化聚合物材料受熱后發(fā)生熱解反應，熱解產(chǎn)生的可燃氣通過形成氣泡等方式從材料內(nèi)部傳輸?shù)讲牧媳砻孢M而析出到外界空氣中。熱解釋放出可燃性氣體與空氣混合形

2、成可燃預混氣，經(jīng)點燃后會在材料表面發(fā)生燃燒化學反應形成火焰。燃燒產(chǎn)生的熱量一部分用來加熱燃燒產(chǎn)物，一部分通過輻射散失到環(huán)境中，剩下的一部分則通過對流、輻射和熱傳導的方式反饋回材料表面形成反饋熱流而對未燃材料進行預加熱，當未燃材料被加熱后發(fā)生熱解又進一步釋放出熱解可燃氣以維持氣相燃燒，如此不斷的循環(huán)進而形成材料表面持續(xù)的火蔓延過程。與傳統(tǒng)的碳化材料（如紙張、木材等）不同，非碳化材料在熱解的過程中基本沒有碳層形成，不會阻礙外部熱流對材料的預

3、加熱，因此其熱解速率要遠大于碳化材料的熱解。此外，材料的熔融和流動特性也會增加材料的蔓延速率。
　　本文首先在錐型量熱儀氮氣氣氛下對PMMA(Poly(methyl methacrylate))、ABS(Poly(acrylonitrile butadiene styrene))和HIPS(High Impact Polystyren)三種典型非碳化聚合物材料進行了不同熱流下的熱解實驗研究，在此基礎上對非碳化聚合物材料有限尺寸自然

4、條件下逆流火蔓延過程進行了實驗和理論研究，其中包括材料厚度、寬度、環(huán)境壓力和三維效應等參數(shù)對逆流火蔓延過程的影響。具體內(nèi)容概括如下:
　　熱解方面，在低、中、高三種熱流下對PMMA、ABS和HIPS的一維熱解過程進行了實驗研究。通過對比熱電偶和紅外熱像儀材料背面溫度的測量結(jié)果，驗證了非接觸測溫方法的可行性。利用實驗所測得的材料背面溫度和質(zhì)量損失速率，并結(jié)合Stanislav I.Stoliarov的ThermoKin模型得到材料的

5、導熱系數(shù)與溫度的分段線性關(guān)系。進而在實驗的基礎上建立了一個考慮材料表面熱流吸收方式和熱解化學反應的非碳化聚合物材料的一維熱解模型，模型對文獻中廣泛采用的深度吸收和表面吸收這兩種假設分別進行了研究和對比，結(jié)果表明不同吸收方式對材料表面溫度和熱穿透層內(nèi)溫度分布有較大影響，這種不同在空氣氣氛下體現(xiàn)在著火時間的明顯差異。而在宏觀熱解方面，即不考慮材料內(nèi)部熱解細節(jié)的情況下，兩者的模擬結(jié)果均在可接受的范圍之內(nèi)。通過對比失重速率和背面溫度的實驗和模擬

6、結(jié)果驗證了此一維熱解模型的正確性。
　　火蔓延方面，在熱解研究的基礎上對自然對流和不同環(huán)境壓力下的逆流火蔓延過程進行了實驗和理論分析。結(jié)果表明在材料寬度較小的情況下，逆流火蔓延速率隨厚度的增大而增加，這與二維無限寬條件下的結(jié)論有較大差別。主要原因是有限尺寸條件下，材料兩側(cè)的燃燒過程加速了蔓延速率。在厚度固定情況下，火蔓延速率反比于材料寬度。在合肥、西寧和拉薩不同環(huán)境壓力條件下，失重速率、火焰高度和火蔓延速率均隨壓力的增大而增大。在