PCABS樹脂及其阻燃制品燃燒性能研究及FDS分析

1、PCABS樹脂及其阻燃制品燃燒性能研究及FDS分析 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) PC/ABS 樹脂及其阻燃制品燃燒性能研究及FDS 分析摘 要:本文研究了 PC/ABS樹脂(聚碳酸酯和丙烯腈 -丁二烯 -苯乙烯共聚物的共混物)添加磷系阻燃劑 BDP以后的燃燒性能改善情況,利用錐形量熱儀分別對 PC/ABS樹脂空白樣品和添加 BDP阻燃劑以后的阻燃樣品進(jìn)行了燃燒實(shí)驗(yàn),測得了兩種材料的熱釋放速率、有效燃燒熱、總煙氣釋放量、質(zhì)量損失速率、總釋放熱和點(diǎn)燃時間等參數(shù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。阻燃樣品的熱釋放速率平均值,有效燃燒熱平均值、質(zhì)量損失速率平均值、總釋放熱分別降低了30.89%、23.31%、10

2、.1%、29.02%,點(diǎn)燃時間推后 21 s,但 CO產(chǎn)量有所增加。在錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)的根底上,借助 FDS軟件對材料的燃燒性能進(jìn)行了可視化模擬,獲得了模擬結(jié)果,以smokeview動畫形式直觀地觀察了材料的燃燒行為。綜合評價的結(jié)果是 BDP阻燃劑是一種性能比較優(yōu)異的阻燃劑。 目前,主要運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法評價材料的燃燒性能,借助計(jì)算機(jī)軟件評價材料燃燒性能的例子不多,本文采用錐形實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬兩種方法評價了材料的燃燒性能,具有一定理論和實(shí)用意義。關(guān)鍵詞 PC/ABS 樹脂; 錐形量熱儀; 場模型 FDS; BDP; 阻燃- I - 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) Study on the Fire Pe

3、rformance of the PC/ABS and the Fire Retardant PC/ABS and the Analysis on them by FDSAbstract: The improvement of combustion performance of PC/ABS after added into the phosphorus-based fire retardant BDP was studied. Fire experiment of the pure PC/ABS and retardant PC/ABS was carried out using the c

4、one calorimeter, and the burning parameters of the two materials such as HRR, EHC, TSR, MLR, THR and TTI were gained. Analysis have been given to these parameters, the results indicate that the average HRR , EHC, MLR and THR of the retardant material respectively reduce by 30.89%、 23.31%、10.1%, 29.0

5、2% and the TTI is put off by 21 s when compared to the pure material, but the output of the CO increases in some extent. On the base of CONE test, fire simulation of the two PC/ABS materials was carry out using the FDS software, and the results of the simulation were successfully gainedThe smokeview

6、 picture was obtained and the burning behavior of the material was directly watched. Comprehensive evaluation is that BDP is a relatively excellent kind of fire retardantAt present, experimental methods are widely used to evaluate the burning performance of materials, but the examples of using compu

7、ter software to appraise the burning capability of materials are few. CONE test and computer simulation method were adopted together in this paper to evaluate the combustion performance of materials, which had some innovation meaning Keywords PC/ABS resin; cone calorimeter; field modal FDS; BDP; fir

8、e retardant- II - 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 目 錄摘要 I Abstract. II 目錄.III1 緒論. 1 1.1 本論文研究的目的及意義 1 1.2 PC/ABS樹脂的開展概況及其應(yīng)用 1 1.3 PC/ABS樹脂的阻燃技術(shù)2 1.3.1 PC/ABS常用的阻燃劑. 2 1.3.2 BDP阻燃劑介紹. 3 2 實(shí)驗(yàn)局部 5 2.1 主要原料和儀器設(shè)備. 5 2.1.1 主要原料5 2.1.2 主要設(shè)備5 2.2 CONE可以測定的燃燒參數(shù). 7 2.3 實(shí)驗(yàn)過程. 8 2.3.1 實(shí)驗(yàn)條件8 2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟8 2.4 結(jié)果與分析 8 2.4.1 CONE的測

9、試結(jié)果及分析 8 2.4.2 結(jié)果討論 12 3 利用 FDS對材料的燃燒性能進(jìn)行模擬分析 13 3.1 引言 13 3.2 FDS軟件介紹. 13 3.3 模型的建立. 14 3.4 數(shù)據(jù)處理說明. 15 3.5 模擬過程15 3.6 結(jié)果與討論. 16 - III - 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 3.7 兩種方法的比擬 20 4 結(jié)論21 參考文獻(xiàn) 22 致謝. 24 附錄 A:空白樣品的模擬編程25 附錄 B:阻燃樣品的模擬編程 28- IV - 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 1 緒論當(dāng)今世界,科學(xué)技術(shù)日新月異,各種科學(xué)研究領(lǐng)域不斷研究出新成果,材料領(lǐng)域更是各國研究的重點(diǎn),因?yàn)楦鞣N高性

10、能材料是制造各種精密儀器的根底。材料的性能包括物理機(jī)械性能、阻燃性能等,其中阻燃性能是評價材料在火災(zāi)中燃燒行為的重要方面之一。 現(xiàn)在世界上很多國家,尤其是一些歐美國家,不但要求阻燃劑要有良好的阻燃效果,更要求其到達(dá)良好的環(huán)保要求,各種阻燃標(biāo)準(zhǔn)要求得日益嚴(yán)格。因此,近幾年來,研究高效、低煙、低毒、無塵的阻燃劑成1為阻燃領(lǐng)域的重要課題 。 本文研究了 PC/ABS 樹脂及其阻燃制品的燃燒性能,利用錐形量熱儀對材料進(jìn)行了燃燒實(shí)驗(yàn),獲得了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的根底上,借助軟件工具場模型 FDS 模擬了材料的燃燒行為,直觀地觀察了材料的燃燒過程,并運(yùn)用兩種方法分析評價了 BDP 的阻燃效果,比擬了各

11、自的優(yōu)缺點(diǎn)。 1.1 本論文研究的目的及意義 本文研究所選擇的原材料為 PC/ABS 樹脂及其阻燃制品,是當(dāng)今被廣泛應(yīng)用的工程材料,市場需求量大;選擇的阻燃劑為新型阻燃劑 BDP,具有阻燃效果好、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn),是一種市場前景非常廣闊的阻燃劑。因此選擇它們做研究,現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義較強(qiáng)。 目前,對于材料的燃燒性能研究大多運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法,借助計(jì)算機(jī)軟件工具分析材料燃燒性能的例子不多。隨著計(jì)算機(jī)模擬軟件的不斷完善和普及應(yīng)用,這種方法必將得到進(jìn)一步的應(yīng)用。 1.2 PC/ABS 樹脂的開展概況及其應(yīng)用 聚碳酸酯( PC)是一種性能優(yōu)異的工程塑料,具有突出的沖擊韌性、較寬的使用溫度范圍、良好的電絕緣性和尺寸

12、穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在汽車和電子電器工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但 PC熔體粘度大、加工成型困難,特別是大型制品容易產(chǎn)生應(yīng)力開裂,耐化學(xué)藥品性差,而且價格較高,這2些缺乏使PC的應(yīng)用受到了一定限制 。ABS樹脂是一種性能介于工程塑料和通用塑料之間的材料,它具有良好的耐沖擊性和加工流動性,價格也比第 1 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 較廉價,因而得到廣泛的應(yīng)用。但因耐熱性能、耐候性能差,機(jī)械性能不34夠理想而限制了其應(yīng)用 。 PC/ABS 共混物可以有效地吸取 PC 與 ABS 的優(yōu)點(diǎn),表現(xiàn)出良好的沖擊強(qiáng)度、撓曲性、剛性、耐熱性和較寬的加工溫度范圍,尤其能明顯改善ABS 的耐化學(xué)藥品

13、性和低溫韌性,在 PC/ABS 共混物中, PC 主要奉獻(xiàn)高耐熱性、較好的韌性和沖擊強(qiáng)度以及高強(qiáng)度;ABS 那么能改良共混物的可成型性、表觀質(zhì)量,同時起到降低密度的作用。 20 世紀(jì) 60 年代中期,美國博格 ?沃納( Borg Warner)化學(xué)公司首先開發(fā)出第一個 PC/ABS共混物,之后國外許多大公司相繼開發(fā)出了很多5PC/ABS共混物產(chǎn)品,如阻燃PC/ABS、玻璃纖維增強(qiáng) PC/ABS等 。近五年來,世界PC/ABS共混物的產(chǎn)量每年都以 10%左右的速度增長,其增幅速度在塑料領(lǐng)域中名列前茅。近十年來,為了適應(yīng)電氣行業(yè)對材料的特殊要求, PC/ABS共混物的阻燃化研究已經(jīng)成為人們的關(guān)注熱

14、點(diǎn),而且隨著人6們環(huán)保意識的普遍提高,非鹵阻燃 PC/ABS更成為了重中之重 。 PC/ABS樹脂被廣泛應(yīng)用在汽車、通訊、電開工具外殼、礦工平安帽、7電器產(chǎn)品等領(lǐng)域 ,而且由于其具有良好的各種性能,可以代替許多合金材料,其應(yīng)用范圍必將進(jìn)一步擴(kuò)大。 1.3 PC/ABS 樹脂的阻燃技術(shù) 1.3.1 PC/ABS常用的阻燃劑 PC/ABS 共混物常用的阻燃劑可以分為鹵-銻類、磷酸酯類、磷-鹵類等。從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā),目前磷酸酯類阻燃劑在國外尤其在歐洲應(yīng)用比擬廣泛,但是我國仍以使用鹵-銻類復(fù)合阻燃劑為主。 溴系阻燃劑由于高效的阻燃效果得到了廣泛應(yīng)用,是世界上產(chǎn)量昀大、阻燃效率昀高的有機(jī)阻燃劑之一。

15、在 PC/ABS 共混物使用的阻燃劑中,含溴阻燃劑對 PC/ABS 共混物的阻燃效果昀好,其阻燃作用機(jī)理在于能抑制燃燒的鏈鎖反響,但在共混物的成型加工過程中卻存在著加工穩(wěn)定性較差的問題,物料容易發(fā)生熱分解,導(dǎo)致成型溫度區(qū)域變窄、制品外觀和使用性能下降,而且阻燃后的材料在燃燒時發(fā)煙量大,釋放大量有毒有害物質(zhì),明顯降低材料的力學(xué)性能,這在一定程度上限制了此類阻燃 PC/ABS的推廣應(yīng)用。 第 2 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 以固相作用為主的阻燃劑尤其是磷酸酯成為 PC/ABS阻燃劑的昀佳選擇。磷酸酯類阻燃劑是一類無鹵、低煙、低毒的環(huán)保型阻燃劑,它與高聚物的相容性好,應(yīng)用較為廣泛

16、。但大多數(shù)磷酸酯為液體,分子量小、揮發(fā)性大、耐熱性低,影響了其阻燃效果和阻燃持久性,而分子量大、磷含量8高、結(jié)構(gòu)對稱的縮合雙磷酸酯可克服上述缺陷,越來越受到人們的重視 ,BDP就是其中極具代表性的一種無鹵芳基磷酸酯。 近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的開展,特別是當(dāng)今社會提倡可持續(xù)開展,人們的環(huán)保和平安意識已經(jīng)有了較大程度的提高,對生態(tài)環(huán)境和人的生命價值更加重視。因此,阻燃材料的使用范圍越來越廣泛,對環(huán)境的友好性要求越來越高。傳統(tǒng)的鹵系阻燃 PC/ABS由于其對環(huán)境的不友好而使其潛在的危害表現(xiàn)日益明顯,在很多行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)受到了限制,歐盟 ROHS及WEEE兩個指令的公布(自 2006 年 7 月 1 日起

17、施行),更是把傳統(tǒng)的鹵系9阻燃 PC/ABS的使用范圍限制得更小 。阻燃劑的無鹵化可以說是今后阻燃劑的開展方向,具有良好的環(huán)保性能且阻燃性能優(yōu)異的磷酸酯類阻燃劑必10將具有更加寬闊的市場前景 。 1.3.2 BDP 阻燃劑介紹 四苯基(雙酚-A)二磷酸酯,即 BDP,是目前一種新型無鹵有機(jī)磷系阻燃劑,主要用于熱塑性工程塑料如 PC/ABS共混物、聚乙烯及泡沫聚氨酯中。其具有分子量大、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、揮發(fā)性較低和阻燃效果好等特點(diǎn),11已經(jīng)成為無鹵芳香有機(jī)磷類阻燃劑的主要產(chǎn)品 。 隨著阻燃劑研究的不斷深入,磷酸酯阻燃劑正在從單磷酸酯向多聚磷酸酯類過渡,尤其是雙磷酸酯齊聚物,具有結(jié)構(gòu)對稱、相對分子質(zhì)量高

18、、12磷含量高等特點(diǎn),其增塑性、阻燃性、熱穩(wěn)定性均優(yōu)于普通磷酸酯 ,四苯基(雙酚 -A)二磷酸酯(BDP)就是其代表代表產(chǎn)品之一,它在室溫狀態(tài)下是一種無色或淡黃色透明粘性油狀液體,具有分子量大( 692)、磷含量高( 9%)、添加量少(一般在 15 20%)、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足日益嚴(yán)格的阻燃標(biāo)準(zhǔn),符合當(dāng)今全球生態(tài)環(huán)境要求。 目前,我國阻燃劑市場上 BDP 的年需求量約在 10 萬噸左右,并且以每年 20%的數(shù)量遞增,如假設(shè)再加上臺灣地區(qū)的需求,市場潛力巨大。但是,由于 BDP 在國內(nèi)未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),所需產(chǎn)品大局部依賴進(jìn)口,進(jìn)口產(chǎn)第 3 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))

19、品主要是美國阿克蘇 ?諾貝爾公司的 Fyrolflex BDP、雅寶公司的 NcendX P-30 和日本大八公司的 CR-741,造成 BDP 進(jìn)口價格居高不下(約 4 萬元人民幣 /噸)。因此可以推斷,在今后相當(dāng)長的一段時期內(nèi),國內(nèi)對于阻燃劑 BDP 的需求量仍將持續(xù)上漲,且受阻燃劑市場價格整體走高的趨勢影響, BDP 產(chǎn)品價格在短期內(nèi)也不會降低。 第 4 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 2 實(shí)驗(yàn)局部2.1 主要原料和儀器設(shè)備 2.1.1 主要原料 本文選用的實(shí)驗(yàn)樣品是自制的 PC/ABS空白樣品和添加 BDP的阻燃樣品。 空白樣品的配方如表 2.1 所示,其編號為 1#。

20、 表 2.1 未阻燃 PC/ABS 樣品配方 PC 60 份 ABS 40 份 增韌助劑 5 份 抗沖擊改性劑 2 份 阻燃樣品的配方如表 2.2 所示,其編號為 2#。 表 2.2 阻燃 PC/ABS 樣品配方 PC 60 份 ABS 40 份 增韌助劑 5 份 抗沖擊改性劑 2 份 BDP 15 份 2.1.2 主要設(shè)備 英國產(chǎn) FIRE TESTING TECHNOLOGY LIMITED 錐形量熱儀。 CONE 由六局部組成:( 1)燃燒室:由截?cái)噱F形加熱器、點(diǎn)火器、控制電路、擋風(fēng)罩等構(gòu)成。入射熱流強(qiáng)度可根據(jù)不同的試驗(yàn)要求適中選擇;樣品放在燃燒平臺上由點(diǎn)火器點(diǎn)燃,燃燒產(chǎn)物由通風(fēng)系統(tǒng)排走

21、 ;( 2)通風(fēng)櫥 ;( 3)煙測量系統(tǒng)設(shè)備 ;( 4)氧氣和氣體分析儀 ;( 5)稱重天平及試樣架 ;( 6)有關(guān)的輔助設(shè)備。 錐形量熱儀的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2.1 所示。第 5 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 圖 2.1 錐形量熱儀結(jié)構(gòu)簡圖 錐形量熱儀采用氧消耗原理測量材料的熱釋放速率,所謂氧消耗原理就是:材料燃燒時消耗每一單位的氧氣所釋放的熱量根本上是相同的。建筑業(yè)和商業(yè)中普遍使用的大多數(shù)塑料和其他固體材料都遵循這個規(guī)律,并測出這個值為13.1 MJ/kgO 5%。如果將實(shí)驗(yàn)中所有的燃燒產(chǎn)物都收集起2來并精確的測出氣體的流速和氧氣的濃度,那么熱釋放速率就可以很容易的得到。 錐

22、形量熱儀氣體取樣流程圖如圖2.2所示。圖 2.2 錐形量熱儀氣體取樣流程圖 利用錐形量熱儀將木材燃燒或分解釋放的所有產(chǎn)物收集起來并通過排氣管道排出氣體經(jīng)過充分混合后,測出其質(zhì)量流量和組分。測量時,先測出 O 、CO、CO 的濃度,這樣通過計(jì)算可得到燃燒過程中消耗的氧氣的2 213質(zhì)量,運(yùn)用氧消耗原理,即可得出材料燃燒過程中的熱釋放速率 。 第 6 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 2.2 CONE 可以測定的燃燒參數(shù) 做 CONE 實(shí)驗(yàn)時可以測得的參數(shù)有: ( 1)總釋放熱(THR),在預(yù)置的入射熱流強(qiáng)度下,材料從點(diǎn)燃到火2焰熄滅為止所釋放熱量的總和,單位為 MJ/m 。 THR

23、愈大,說明聚合物材料燃燒時所釋放的熱量就愈大,即聚合物材料在火災(zāi)中的危險性就愈大。 ( 2)熱釋放速率( HRR),單位面積樣品釋放熱量的速率,單位為2kW/m 。HRR是昀重要的燃燒參數(shù),昀大值為熱釋放速率峰值( pkHRR)。HRR或 pkHRR愈大,聚合物材料外表的熱裂解速度就越快,從而產(chǎn)生更多的揮發(fā)性可燃物,加速了火焰的傳播,因此聚合物材料在火災(zāi)中的危險性就愈大。HRR和 THR結(jié)合可更好地評價材料的燃燒性和阻燃性。 ( 3)有效燃燒熱( EHC),在某一時刻 t 時,所測得的熱釋放量與質(zhì)量損失量之比,以 MJ/kg 為單位。它反映的是可燃性揮發(fā)氣體在氣相火焰中的燃燒性能。 CONE

24、測得的 EHC 是在模擬實(shí)際火情的條件下測得,與實(shí)際火災(zāi)更接近。將 EHC 與 HRR 結(jié)合可以研究阻燃劑對聚合物阻燃的機(jī)理。 ( 4)煙氣毒性參數(shù),CONE提供了樣品的比消光面積SEA和總煙氣生成量等參數(shù),結(jié)果與實(shí)際煙釋放情況的偏差較小,比消光面積 SEA是一個2 -1動態(tài)過程量,以 m /kg為單位,表示為 kV/m, k是消光系數(shù)( m ), V是煙3道的體積流速( m /s),m是樣品的質(zhì)量損失速率(kg/s)。毒性參數(shù)表現(xiàn)為CO、CO 的生成量,即每單位樣品損失的質(zhì)量所產(chǎn)生 CO、CO 量,單位為2 2kg/kg。 CO生成量大,煙的毒性就愈大。 ( 5)點(diǎn)燃時間( TTI),當(dāng)使材

25、料外表有發(fā)光火焰燃燒時所維持點(diǎn)燃的時間,單位為 s。 TTI 愈長,說明聚合物材料在此條件下愈不易點(diǎn)燃,那么材料的阻燃性就愈好。它是評價聚合物材料阻燃性能的重要指標(biāo)之一。 ( 6)質(zhì)量損失速率(MLR),單位為 g/s,測試聚合物材料在一定的受熱情況下熱裂解速度。可以獲得某一定時間下的剩余物含量。 在聚合物材料的燃燒性能和阻燃性能研究領(lǐng)域,及火災(zāi)預(yù)防和控制領(lǐng)域, CONE 的出現(xiàn)有利地促進(jìn)了研究和評價工作的進(jìn)展。一定程度上,CONE 可望代替或局部代替大型燃燒實(shí)驗(yàn),進(jìn)行阻燃機(jī)理等方面的研究工作。 第 7 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 2.3 實(shí)驗(yàn)過程 2.3.1 實(shí)驗(yàn)條件 2

26、選用錐形量熱儀的測試條件為 :在熱輻射強(qiáng)度為 35 kW/m 條件下對樣品進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。 2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟 調(diào)試好錐形量熱儀,用電子秤分別稱出 33.20 g空白樣品和阻燃樣品,把樣品用錫紙包好,放入 1010 cm的方盒中并鋪平,鋪設(shè)厚度為 3 mm,2將試樣水平放置于燃燒平臺,在 35 kW/m (典型小型火災(zāi)輻射強(qiáng)度)熱輻射強(qiáng)度下加熱,點(diǎn)燃試樣,同時啟動計(jì)算機(jī),開始采集數(shù)據(jù),當(dāng)觀察的試樣完全燃燒后,停止試驗(yàn),保存數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由錐形量熱儀的專用軟件和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。2.4 結(jié)果與分析 2.4.1 CONE的測試結(jié)果及分析 兩種樣品的 CONE實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2.3所示。

27、 表 2.3 PC/ABS 空白樣品和阻燃樣品的 CONE 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 點(diǎn)燃時 熱釋放速 有效燃燒 質(zhì)量損失 總煙氣 總釋放 CO生成間( TTI) 率平均值 熱平均值 速率平均 釋放量 熱( THR) 量平均-2/s ( HRR) ( EHC) 值( MLR) ( TSR) /MJ?m 值-2 -1 -1 2 -2 -1/kW?m /MJ?kg /g?s /m ?m /kg?kg1# 71 186.55 21.02 0.089 3077.3 61.0 0.0518 2# 92 128.93 16.12 0.080 3027.1 43.3 0.0885 由表 2.3 可以看出,采用 BDP 阻燃

28、的 PC/ABS 與未阻燃的 PC/ABS 相比, HRR 平均值降低了 30.89%, EHC 平均值降低了 23.31%,MLR 平均值降低了 10.1%,TSR 降低了 1.63%,THR 下降了 29.02%,TTI 延長了 21 s。參加 BDP 以后,材料的主要燃燒性能參數(shù)都有所下降,點(diǎn)燃時間推后,說明參加 BDP 以后,材料的阻燃性能得到了較好的改善;但是 CO 生成量平均值增加了 41.47%,增加了煙氣的毒性。 熱釋放速率 HRR 是評價材料燃燒性能昀重要的參數(shù),空白樣品和阻燃樣品在前 5 min 內(nèi)各時間段的熱釋放速率平均值如表 2.4 所示。第 8 頁 共 30 頁 武警

29、學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 2表 2.4 各時間區(qū)段 HRR平均值 (單位: kW/m )1min 2min 3min 4min 5min 1# 38.2 103.8 147.6 176.5 187.3 2# 17.8 57.7 88.4 110.5 124.2 從表 2.4 中可以清晰地看出 BDP 很好的抑制了材料的熱釋放速率,在第 1 min,第 2 min,第 3 min,第 4 min 和第 5 min 分別使熱釋放速率降低了 53.4%,44.4%, 40.1%, 37.4%, 33.7%。 熱釋放速率隨時間變化的曲線圖如圖 2.3 所示。 3001# HRR2# HRR250200

30、1501005000 100 200 300 400 500 600時間/s圖 2.3 PC/ABS空白樣品和阻燃樣品的 HRR比照圖 2圖 2.3 中空白樣品的 HRR曲線在 270 s到達(dá)昀頂峰值 274.16 kW/m ,點(diǎn)燃時間短,熱釋放速率在 400 s之前明顯高于阻燃樣品,250320 s內(nèi)曲2線值在 250 kW/m 以上,從 400 s開始迅速下降。阻燃樣品在 405 s時才達(dá)2到昀頂峰值 186.01 kW/m ,之后迅速下降,曲線比擬平緩,整個燃燒時間2區(qū)段內(nèi) HRR在 200 kW/m 以下。圖中從 395 s開始阻燃樣品的 HHR曲線略高于空白樣品,這可能是空白樣品已經(jīng)

31、燃燒殆盡的緣故。由以上分析可知,BDP較大幅度地減小了熱釋放速率的峰值,使整個時間段的熱釋放速率整體下降,有效地減少了材料的熱釋放速率,降低了其火災(zāi)危險性。 有效燃燒熱( EHC)反映的是可燃性揮發(fā)氣體在氣相火焰中的燃燒性能,是反映材料燃燒性能的重要參數(shù)之一,由于 360 s 以后空白樣品和阻燃樣品的 EHC 曲線波動較大,所以取 360 s 以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比照, EHC第 9 頁 共 30 頁 -2HRR/kW.m武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 隨時間變化的曲線圖如圖 2.4 所示。 90801# EHC702# EHC60504030201000 100 200 300 400時間/s圖 2

32、.4 PC/ABS空白樣品和阻燃樣品的 EHC比照圖 在圖2.4中, PC/ABS樣品的有效燃燒熱EHC曲線峰值較多, 400 s之前阻燃樣品的 EHC曲線始終低于未阻燃空白樣品的 EHC曲線。說明BDP降低了材料的有效燃燒熱,使得材料析出的氣體燃燒效率降低。 質(zhì)量損失速率隨時間變化的曲線圖如圖 2.5所示。 0.181# MLR0.161# MLR0.140.120.10.080.060.040.0200 100 200 300 400 500 600時間/s圖 2.5 PC/ABS空白樣品和阻燃樣品的 MLR比照圖 從圖 2.5 中可以看出,實(shí)驗(yàn)前期,空白樣品的質(zhì)量損失速率 MLR 高于阻

33、燃樣品,說明其熱裂解速度和燃燒速度快,燃燒猛烈,火勢開展快。 第 10 頁 共 30 頁 -1MLR/g.s -1EHC/MJ.kg武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 8070 1# THR2# THR60504030201000 100 200 300 400 500 600時間/s圖 2.6 PC/ABS空白樣品和阻燃樣品的 THR比照圖 從圖 2.6 可看出,整個燃燒過程中,阻燃樣品的 THR 曲線低于空白樣品的 THR 曲線,說明參加阻燃劑以后,樣品放出的熱量明顯降低。 生成煙氣情況是評價材料燃燒性能的重要方面,如果材料燃燒時生成的煙氣濃度大,會大大降低環(huán)境的能見度,影響人員的平安疏散,對人

34、員的生命平安造成威脅,因此火災(zāi)危險性大。煙氣釋放量隨時間變化的曲線圖如圖 2.7 所示。 35001# TSR30002# TSR250020001500100050000 100 200 300 400 500 600時間/s圖 2.7 PC/ABS空白樣品和阻燃樣品的 TSR比照圖 從圖 2.7 中可以看出,空白樣品的總煙氣釋放量 TSR 曲線和阻燃樣品的 TSR 曲線相差不大,而且阻燃樣品的 TSR 曲線略低,說明阻燃劑的添加并不增加總煙氣釋放量。 PC/ABS 樹脂燃燒時產(chǎn)生的毒性氣體主要是 CO,其產(chǎn)量隨時間變化的曲線圖如圖 2.8 所示。 第 11 頁 共 30 頁 2 -2TSR

35、/m .m-2THR/MJ.m武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 4003501# CO2# CO3002502001501005000 100 200 300 400 500 600時間/s圖 2.8 PC/ABS空白樣品和阻燃樣品的 CO比照圖 從圖 2.8 中可知,毒性氣體 CO 的生成量有所增加,增加了煙氣的毒性。 2.4.2 結(jié)果討論 由以上分析可以看出,經(jīng) BDP 阻燃處理后的阻燃樣品的熱釋放速率( HRR),有效燃燒熱( EHC),質(zhì)量損失速率( MLR),總釋放熱( THR)等明顯降低,說明 BDP 較好的改善了材料的燃燒性能,降低了其火災(zāi)危險性,而且不增加燃燒時的總煙氣釋放量,雖然

36、阻燃后增加了材料燃燒時的 CO 生成量,但綜合其阻燃效果來說,BDP 是一種阻燃性能比擬理想的阻燃劑。第 12 頁 共 30 頁 CO產(chǎn)量/ppm武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 3 利用 FDS對材料的燃燒性能進(jìn)行模擬分析3.1 引言 采用錐形量熱儀方法評價材料的燃燒性能,應(yīng)用比擬廣泛而且數(shù)據(jù)比較接近于實(shí)際情況,但它卻不能模擬真正的火災(zāi)。如果要做真正的火災(zāi)燃燒試驗(yàn)的話,即消耗本錢且需要一定的人力物力,而且可重復(fù)性比擬差。而利用場模型 FDS 卻可以容易地模擬假定條件下的火災(zāi)開展過程,讓人感受到虛擬火災(zāi)的開展變化,并通過配套軟件 smokeview 可視化地展示出來,直觀的表現(xiàn)出材料的燃燒性能。F

37、DS 還可以模擬復(fù)雜空間內(nèi)的火災(zāi)發(fā)展和煙氣蔓延規(guī)律,為建筑的防火設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。 本章以錐形量熱儀測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為根底,通過編輯程序,運(yùn)用場模型 FDS 模擬 PC/ABS 空白樣品和阻燃樣品材料在假定條件下的燃燒過程,分析其燃燒特性并評價 BDP 的阻燃性能。 3.2 FDS 軟件介紹 所謂火災(zāi)電腦模擬就是用現(xiàn)有的流體力學(xué)、熱力學(xué)、燃燒學(xué)等各種數(shù)學(xué)模型,在轉(zhuǎn)換成程序語言之后,輔以電腦來模擬火災(zāi)成長趨勢、燃燒行為或煙氣流動擴(kuò)散等火災(zāi)現(xiàn)場可能發(fā)生的各種火災(zāi)情況,并從中去評估該14設(shè)計(jì)火災(zāi)對人員生命、建筑結(jié)構(gòu)的影響 。 FDS是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局 ANSI( American National Sta

38、ndards Institute)發(fā)布的一套火場模擬軟件,由美國建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室開發(fā),在火災(zāi)科學(xué)和工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。FDS以燃燒學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等理論為根底,15能夠?qū)馂?zāi)過程提供比擬精確的模擬 。該軟件主要用于研究煙氣流動和熱傳遞現(xiàn)象。對于模擬火場的流場速度和溫度場分布趨勢有 8090%的準(zhǔn)確度,但由于該軟件大多是依小型的火場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的交叉比對所開展出來的,所以對于相對大型的火災(zāi)所求得的各項(xiàng)火場資料誤差性可能也會較大。 該軟件采用場模擬方法,引入大渦模擬(LES)概念,主要研究因火災(zāi)引起的煙氣和熱量傳輸規(guī)律,尤其適合于燃燒引起的低速的、熱驅(qū)動的煙氣和熱量流動的情形。 FDS 致力于解

39、決防火工程中的實(shí)際火災(zāi)問題,同時為研究根底火災(zāi)動第 13 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 力學(xué)和燃燒學(xué)提供了工具。FDS 可以用來模擬以下等情形:( 1)火災(zāi)產(chǎn)生的以低速傳播的熱量和燃燒產(chǎn)物; ( 2)氣體和固體壁面之間的輻射和對流傳熱; ( 3)材料熱解; ( 4)火焰?zhèn)鞑ズ突饎蓍_展; ( 5)噴水裝置,熱感器和煙感器的反響; ( 6)噴水裝置噴水和水壓; 大多數(shù)空間數(shù)據(jù)可通過 smokeview 軟件可視化地顯示,這種軟件專門為分析 FDS 的結(jié)果數(shù)據(jù)而開發(fā)。 Smokeview 軟件的可視化效果中包括了微粒流動軌跡動畫,計(jì)算出來的變化的氣體薄層輪廓動畫,以及外表數(shù)據(jù)動畫。

40、該軟件還可顯示出在固定時間的任何地點(diǎn)的靜態(tài)數(shù)據(jù)形成的輪廓和矢量圖形。 3.3 模型的建立 本章模擬材料的燃燒性能,無需設(shè)置復(fù)雜模型,為了方便直觀地觀察模擬結(jié)果,模型設(shè)置為 754 m 的房間,前方開寬 1.2 m,高 2.3 m 的門,前方開 2.51 m 的窗戶。房間內(nèi)設(shè) 6 個 0.830.4 m 的物體,它們的燃燒過程即代表 PC/ABS的燃燒過程,房間四面墻和頂棚的設(shè)置默認(rèn)為混凝土。 房間設(shè)置如圖 3.1 所示。圖 3.1 模擬所采用的模型 第 14 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 3.4 數(shù)據(jù)處理說明 ( 1)CONE 實(shí)驗(yàn)中的材料非常有限,熱釋放速率在 360 s

41、以后迅速下降。實(shí)際火災(zāi)中的可燃物數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試驗(yàn)中的可燃物量,熱釋放速率曲線和試驗(yàn)有很大不同,所以本章只取 360 s 以前的數(shù)據(jù)用于模擬。 ( 2)FDS 模擬過程中出現(xiàn)火焰的時間和 CONE 實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)火焰時間相比,大約推遲了 30 s,造成這種現(xiàn)象的原因可能有兩個:一是 FDS 模擬中的環(huán)境溫度和做 CONE 實(shí)驗(yàn)時的環(huán)境溫度有差異,FDS 中的默認(rèn)環(huán)境溫度為 20 ,而本文做 CONE 實(shí)驗(yàn)時日期為 4 月 28 日,天氣晴朗,環(huán)境溫度大于 20 ;二是做 CONE 實(shí)驗(yàn)時材料剛出現(xiàn)火焰時是小范圍燃燒,熱釋放速率( HRR)較小,把此時的 HRR 值輸入 FDS 不會出現(xiàn)火焰。因此,在

42、處理數(shù)據(jù)用于模擬時,把 CONE 實(shí)驗(yàn)中的 HRR 數(shù)據(jù)前 30 s 局部去掉,取 31 s 為開始狀態(tài)。 ( 3)本文以下局部討論熱釋放速率、室內(nèi)溫度分布情況、煙氣情況和CO 生成量,數(shù)據(jù)經(jīng)處理后,模擬時間為 330 s,即 5.5 min。 3.5 模擬過程FDS 大多用于模擬研究火災(zāi)驅(qū)動流體流動的情況,如火災(zāi)驅(qū)動熱煙氣的流動規(guī)律等。本文利用 FDS 模擬材料的燃燒過程,輸入的數(shù)據(jù)是錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)得到的燃燒數(shù)據(jù)。 熱釋放速率是表征材料燃燒性能昀重要 的參數(shù),為了反映出錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)中的材料的燃燒過程,用 RAMP_Q 語句輸入 CONE 實(shí)驗(yàn)中的 HRR定義火焰來反映材料的燃燒過程,用 R

43、EAC 語句定義反響物為 PC/ABS,把模型中的物體邊界全部定義為火焰。 PC/ABS 燃燒時釋放的毒性氣體主要是 CO,因此,模擬 CO 產(chǎn)量是重要一方面。在 REAC行用 CO_YIELD定義 CO產(chǎn)量,這個參數(shù)可以在 CONE實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到。 在 FDS 中用 SOOT_YIELD 來定義煙氣釋放量,SOOT_YIELD 表示燃料質(zhì)量中轉(zhuǎn)化為煙粒子的質(zhì)量百分?jǐn)?shù),默認(rèn)值為 0.01。CONE 實(shí)驗(yàn)的輸出數(shù)據(jù)中沒有直接給出這個參數(shù),由它推出 SOOT_YIELD 比擬困難,因此,本文模擬中 SOOT_YIELD 采用默認(rèn)值。 第 15 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))

44、3.6 結(jié)果與討論 模擬過程中在不同的時間段截取了局部圖片,從中可清楚直觀地看出空白樣品和阻燃樣品的燃燒性能差異,左面為空白樣品的圖片,右面為阻燃樣品的圖片。 火焰的開展情況可以昀直觀地 說明熱釋放速率的大小,兩種樣品在120.8 s和270.3 s時的火焰開展情況如圖 3.23.3所示。圖 3.2 120.8 s 時的火焰開展情況圖 3.3 270.3 s 時的火焰開展情況 由圖 3.2 可以看出空白樣品火勢開展比阻燃樣品迅速,材料外表已經(jīng)全部著火,而阻燃樣品只是局部出現(xiàn)微小火焰。圖 3.3 中空白樣品的火勢開展猛烈,而阻燃樣品火勢開展平緩,說明阻燃劑較好的抑制了火勢的發(fā)第 16 頁 共 3

45、0 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 展,有效地降低了材料的熱釋放速率。 室內(nèi)的溫度分布可以很好的反響出燃燒的猛烈情況,一定程度上也反映了熱釋放速率的大小,室內(nèi)溫度高那么火災(zāi)危險性大。空白樣品和阻燃樣品的室內(nèi)溫度分布圖如圖 3.43.5 所示。 圖 3.4 132 s 時的室內(nèi)溫度分布情況 圖 3.5 264 s 時的室內(nèi)溫度分布情況 圖 3.4 中,空白樣品房間內(nèi)的溫度大約在 340500 之間,昀高溫度為 760 ;阻燃樣品房間內(nèi)的溫度分布大約在 115300 之間,昀高溫度為 435 。圖 3.5 中,空白樣品房間內(nèi)的溫度大約在 455715 之間,昀高溫度為 985 ;阻燃樣品房間內(nèi)的

46、溫度分布大約在 310550 之間,昀高溫度為 870 。說明添加阻燃劑后,可大大降低室內(nèi)的溫度分布,從而降低材料的火災(zāi)危險性。 第 17 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第 100 s、 120.8 s 和 250.5 s 時的室內(nèi)煙氣情況如圖 3.63.8 所示。圖 3.6 100 s 時的室內(nèi)煙氣分布 圖 3.7 120.8 s 時的室內(nèi)煙氣分布 圖 3.8 250.5 s 時的室內(nèi)煙氣分布 第 18 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 從圖 3.6 和 3.7 中可看出,添加 BDP 阻燃劑以后,材料的煙氣釋放量有所降低,在 100 s 時阻燃樣品房間的煙氣

47、濃度明顯低于空白樣品房間的煙氣濃度,超過 120 s 以后二者的煙氣釋放量根本持平,在 250.5 s 時兩種材料的房間都已充滿了煙氣(如圖 3.8 所示)。 100 s 時的室內(nèi)能見度如圖 3.9 所示。 圖 3.9 100 s 時的室內(nèi)能見度 由圖 3.9 可看出,在 100 s 時空白樣品房間的能見距離僅為 4.57.5 m,而阻燃樣品房間內(nèi)的能見距離為 1732 m。 PC/ABS 樹脂燃燒產(chǎn)生的主要毒性氣體是 CO,CO 濃度分布情況如圖3.10 所示。 圖 3.10 280.8 s 時的室內(nèi) CO 分布情況 由圖 3.10 可看出,空白樣品房間內(nèi)的 CO 濃度大約在 2800350

48、0 ppm第 19 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 之間;阻燃樣品房間內(nèi)的 CO 濃度大約在 32004000 ppm 之間,峰值到達(dá)4000 ppm, CO 濃度高于空白樣品房間內(nèi)的 CO 濃度。說明添加阻燃劑以后,增加了材料燃燒的煙氣毒性。 由 FDS 模擬結(jié)果分析可知,添加 BDP 阻燃劑降低了 PC/ABS 的熱釋放速率,減小了材料的煙氣釋放量,但增加了毒性氣體 CO 的產(chǎn)量。 3.7 兩種方法的比擬 錐形量熱儀被廣泛用于測試材料的燃燒性能,運(yùn)用它可以精確的測出各種燃燒參數(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果比擬準(zhǔn)確而且自動輸出各種參數(shù),可以生成材料的各種參數(shù)隨時間變化的曲線圖,尤其適用于研究同

49、一材料添加不同阻燃劑后的燃燒性能改善情況。 FDS 昀大的優(yōu)點(diǎn)是可以可視化的模擬材 料的燃燒過程,模擬假定場景下的火災(zāi)開展過程,讓人身臨其境地感受到虛擬火災(zāi)的開展情況,而且可以根據(jù)不同的需要設(shè)定不同的場景,可以為實(shí)際火災(zāi)情況下的平安疏散和制定滅火預(yù)案提供指導(dǎo)。第 20 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 4 結(jié)論由以上分析討論可得出以下結(jié)論: ( 1) 由錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)可知,經(jīng) BDP 阻燃以后的 PC/ABS 樹脂的燃燒性能得到很大改善,具體表現(xiàn)在熱釋放速率顯著降低,平均降低了30.89%;有效燃燒熱平均值和總釋放熱分別降低了 23.31%和 29.02%;點(diǎn)燃時間延遲了 21

50、s。 ( 2) BDP 阻燃劑沒有增加 PC/ABS 的總煙氣釋放量,使得材料燃燒時的煙氣濃度有所降低;但 CO 氣體釋放量有所增加,平均增加了 41.47%,加重了煙氣的毒性。 ( 3) 運(yùn)用 FDS 軟件成功的模擬出了兩種材料的燃燒行為,并得到了模擬結(jié)果,直觀地觀察了材料的燃燒過程。模擬結(jié)果顯示:阻燃后材料的火災(zāi)開展速度明顯降低,且火勢低緩;阻燃材料的室內(nèi)溫度明顯低于空白樣品的室內(nèi)溫度;阻燃后材料的煙氣釋放量有所降低,但 CO 氣體的生成量增加。 ( 4) 綜合以上分析,雖然阻燃后材料燃燒時的 CO 氣體產(chǎn)量有所增加,但對于材料整體阻燃性能的提高來說,利大于弊。總體來說,BDP是一種阻燃性

51、能比擬理想的阻燃劑。 第 21 頁 共 30 頁 武警學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 參考文獻(xiàn)1 T. KASHIWAGI, J. W. GILMAN, M. R. NYDEN. New Flame Retardant AdditivesC. European Meeting On Fire Retardancy Of Polymeric Materials, 1997, 4-82 周琨生 , 蘭浩. PC/ABS合金的研究進(jìn)展及其在汽車上的應(yīng)用 J. 汽車工藝與材料 , 200412: 21-273 楊紅華PC/ABS合金研究進(jìn)展 J. 化學(xué)工程師, 200601: 30-324 SR. OWEN, J. F. HARPER. Mechanical, microscopical and fire retardant studies of ABS polymersJ. Polymer Degradation and Stability, 199964: 449-4555 戈明亮阻燃 PC/ABS 合金的研究與應(yīng)用進(jìn)展 J. 塑料科技, 2005, 126: 57-616 PETER CARTY, STEWA