环境压力对非碳化黑色ABS热解、着火性能及CO释放影响研究

摘要

非碳化聚合物在现代生活中的应用范围越来越广，但其在外部热辐射的作用下会发生热解、燃烧，同时产生有毒或刺激性烟气，危害人类财产及生命安全。现阶段已经有许多研究人员致力于非碳化聚合物在外部热辐射下的热解及燃烧行为的研究，但大部分的研究都是在常压环境下进行的，高原地区或者特殊的低压低氧地区下的火行为会与常压下的火行为有很大差异，环境压力对材料的热解着火特性以及毒性气体释放均存在不同程度的影响。目前，对不同的环境压力对非碳化聚合物的火灾行为研究还不够全面，在实际情况中，材料的热解和燃烧也会在贫氧环境中进行，但显然对此方面的研究还缺乏系统性。本文开展了一系列实验及理论研究，对非碳化聚合物黑色丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)在不同环境压力下的热解行为、着火性能和毒性气体（一氧化碳CO）释放进行了实验研究，同时还基于实验条件建立了表面吸收一维热解模型，并利用FED失能模型对CO毒性进行了分析评价，讨论了CO毒性和CO浓度和人员暴露时间的关系。
　　首先，通过改变辐射热流密度和环境压力对黑色ABS的热解行为进行了研究，发现环境压力会影响样品表面的热对流系数和热解气体的释放速率，从而对样品的炭残渣、表背面温度和失重速率有影响，在低热流密度作用下影响更明显。环境压力越大，炭残渣的表面气泡越大，温度越低，热解速率越小。受热解速率的影响，不同辐射热流密度下，样品热解特征参数对环境压力的反应不尽相同。样品的完全热解时间与环境压力成正比关系。
　　其次，建立了表面吸收一维热解模型，模型基于实验条件和聚合物热解过程中的能量守恒，考虑非碳化聚合物的熔融特点和背面绝热，利用有限差分法对样品在不同工况下的表面温度、背面温度和质量损失速率进行了预测，并与实验结果进行了对比，讨论了模型的适用范围。结果表明因为热物理参数、吸热方式和样品熔融等原因造成的影响，模拟结果与实验结果之间会存在误差，但总体来说，实验值和模拟值较为一致。高热流密度下的模拟情况要好于低热流密度下，低压下的模拟情况要优于高压。
　　最后，通过改变辐射热流密度和环境压力对黑色ABS的着火行为和毒性气体释放进行了实验研究，对不同环境压力下CO的释放特性进行了分析，并利用FED失能模型对材料的CO毒性进行了评价，揭示了CO浓度和人员的暴露时间和失能情况的关系。结果表明在不同辐射热流密度下，着火时间和临界着火温度对环境压力的反应不尽相同。热解过程中材料的着火会影响环境中的CO浓度。在30～50kW/m2热流密度下，实验舱内的CO体积浓度与环境压力成反比关系。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 环境压力变化对火灾防治研究的必要性

1．1．2 非碳化聚合物的火灾危险性

1．1．3 聚合物有毒烟气释放研究的重要性

1．2 国内外研究现状

1．2．1 非碳化聚合物热解行为研究现状

1．2．2 非碳化聚合物着火性能研究现状

1．2．3 CO毒性的研究

1．2．4 环境压力对非碳化聚合物火行为的影响研究

1．3 研究目标与研究内容

1．4 本文章节安排

第二章 基本理论和测量手段

2．1 引言

2．2 非碳化聚合物热解基本理论

2．3 燃烧烟气毒性评价

2．3．1 CO烟气毒性的危害

2．3．2 毒性评价方法

2．4 测量仪器及方法

2．5 本章小结

第三章 不同环境压力下的ABS热解特性实验研究

3．1 引言

3．2 热解实验

3．2．1 实验装置及材料介绍

3．2．2 实验过程

3．3 实验结果及讨论

3．3．1 材料炭残渣分析

3．3．2 表面温度及背面温度分析

3．3．3 热解时间分析

3．3．4 质量损失速率分析

3．4 本章小结

第四章 非碳化聚合物热解模型研究

4．1 引言

4．2 基本热解模型

4．2．1 基本假设

4．2．2 控制方程

4．2．3 初始条件和表面控制体

4．2．4 计算方法和输入参数

4．3 热解模型计算结果与讨论

4．3．1 表面温度

4．3．2 背面温度

4．3．3 质量损失速率

4．4 本章小结

第五章 不同环境压力下ABS着火性能研究及毒性评价

5．1 引言

5．2 实验装置与实验内容

5．3 FED失能模型

5．3．1 人员暴露时间

5．3．2 评价分级标准

5．4 实验结果与讨论

5．4．1 着火性能分析

5．4．2 CO毒性评价

5．5 本章小结

第六章 全文总结及进一步工作进展

6．1 全文总结

6．2 进一步工作进展

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果