一种具有惰性气体保护的热塑性材料加热熔融滴落燃烧测试装置

摘要

本发明提供一种具有惰性气体保护的热塑性材料加热熔融滴落燃烧测试装置，包括一个底部开有一个小圆孔的金属容器（1），金属容器（1）放在电加热炉（2）内，电加热炉（2）底部也开有一个小圆孔，金属容器（1）的小圆孔与电加热炉（2）的小圆孔的中心轴线在竖直方向上对齐；聚合物尤其是热塑性材料燃烧过程中易滴落可燃熔融液体，形成流淌火，本发明通过加热该类聚合物的方式，实现可控的熔融滴落质量速率，加热炉内的氮气保护方法，确保聚合物在被加热过程中不发生燃烧，从而定量研究各种聚合物在不同熔融滴落质量速率条件下的流淌燃烧行为。

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物材料受热行为与流淌燃烧特性领域，更具体的说，涉及一种具有惰性 气体保护的热塑性材料加热熔融滴落燃烧测试装置。

背景技术

人工合成塑料技术的发展与广泛运用，给人们的生产与生活带来了众多的便利。然而， 这些材料的可燃性往往将增加空间内的火灾荷载，容易带来火灾防治方面的新问题。其中， 热塑性材料（诸如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等）由于具有“受热升温可软化流动，冷却降 温可固化定型”的重复塑形的优点，在汽车、航空、家电、办公、室内装修装饰等场合得到 了广泛的运用。这类热塑性材料及其制品被引燃后，燃烧过程中将向下滴落熔融液态可燃物， 从而在底部易形成流淌油池火，该油池火不仅是整个燃烧过程的主控单元，而且往往加速火 灾蔓延。关于热塑性材料的燃烧特性方面的研究，荷兰出版的国际学术期刊《有害材料期刊》 （Journal ofHazardous Materials，2009年，第166卷，第1321-1325页）中提到一种基于T 型槽的热塑性材料耦合燃烧模拟方法，该方法主要是通过在一个竖直壁面上紧贴安装一块热 塑性材料板材，而在板材底部放置一个T形槽接收壁面燃烧过程中滴落下的热塑性材料熔 液，从而模拟壁面火与底部油池火的耦合燃烧过程，并一定程度上衡量该类材料液体池火燃 烧的流动性。专利201110253772.2提到一种热塑性材料熔融燃烧行为模拟实验装置，也是将 一块热塑性材料板材固定在一个可改变倾角的面板上进行燃烧实验，底部采用一个矩形油盘 接收燃烧过程中滴落的热塑性材料熔液，该装置可以研究材料厚度、材料倾角、以及上方壁 面热塑性板材与下方油盘之间的远近距离对整个燃烧过程的影响。关于热塑性材料特殊燃烧 行为研究的现有方法与装置中，大都是将热塑性板材固定在某一个基体壁面上进行点燃，在 其下方用一个油盘对燃烧熔融滴落的液体进行接收的方式进行研究。这种方法的一个主要缺 陷在于：热塑性材板壁面燃烧过程中形成的熔融液体滴落过程存在很大的随机性，熔融液体 的滴落速率不可控，而下方液体流淌油池火的发展与蔓延过程主要由熔融液体的滴落速率决 定，因此，现有的方法限制了热塑性材料熔融液体油池火发展与蔓延特征的深入定量分析。

发明内容

本发明的目的是提出一种热塑性材料受热熔融滴落速率可控的有源油池火燃烧特性研 究方法与装置，通过对加热炉内热塑性材料受热熔化过程的详细监控，确定各种热塑性材料 完全熔化的临界模式，在热塑性材料熔融液体匀速滴落条件下，研究滴落质量速率对热塑性 材料熔融油池火燃烧与蔓延特性的影响。

本发明采用的技术方案为：一种具有惰性气体保护的热塑性材料加热熔融滴落燃烧测试 装置，包括一个底部开有一个小圆孔的金属容器，金属容器放在电加热炉内，电加热炉底部 也开有一个小圆孔，金属容器的小圆孔与电加热炉的小圆孔的中心轴线在竖直方向上对齐； 所述金属圆孔在实验前采用一个锥形塞子穿过电加热炉的小圆孔从下方塞紧；金属容器的上 方放置一个具有若干个透气孔的金属盖子；气瓶内的惰性气体依次经过减压阀和流量计后穿 过金属盖子通入到金属容器内；金属容器内部的竖直中心线上布置第一热电偶树，包含若干 个热电偶，金属容器的内侧壁近邻位置在竖直方向也布置第二热电偶树，包含若干个热电偶； 内部放有金属容器的电加热炉放置在较高的第一支架上，第一支架又放置于第一电子天平之 上；在电加热炉底面的正下方放置较矮的第二支架，第二支架上方放置第二电子天平，所述 第二电子天平上放置一个燃烧油盘用于接收上方金属容器底部小孔中滴落的热塑性材料熔 融可燃液滴；所述第一支架与第二支架之间不发生力的接触，从而避免干扰第一电子天平与 第二电子天平之间的独立质量测量；所述燃烧油盘正上方布设第三热电偶树，包含若干个热 电偶，第三热电偶树的各热电偶在水平方向应偏离金属容器底部小孔的中心，从而避免金属 容器向下滴落的熔融液滴粘附在热电偶上；所述燃烧油盘的侧方附近位置布设若干个辐射热 流计，用于测量油盘燃烧的辐射热通量变化；所述燃烧油盘的侧方附近位置布设若干台摄像 机，用于从不同角度实时拍摄油盘中熔液燃烧与蔓延的特征。

所述第一电子天平测量的是上方电加热炉和装有热塑性材料的容器整体的质量变化。

所述第二电子天平测量的是下方燃烧油盘的实时质量变化。

所述金属容器内部中心线上竖直布设的第一热电偶树测量的是容器内盛放的热塑性材 料在受热过程中若干个典型位置上的温度变化。

所述金属容器内部靠近侧壁位置竖直布设的第二热电偶树测量的是容器内盛放的热塑 性材料在受热过程中侧壁附近若干个典型位置上的温度变化。

所述穿过金属盖子而持续通入金属容器内部的惰性气体是为了稀释容器内盛放的热塑 性材料受热后释放出的热解气体和原有氧气，使得热塑性材料热解释放出的热解气体可通过 金属盖子的小孔排出，且保持容器内较低的氧气浓度，使其氧气浓度不足以发生燃烧，从而 避免熔化的热塑性材料在金属容器内发生燃烧。

所述竖直布设于燃烧油盘上方的第三热电偶树测量的是油盘燃烧温度场的实时变化。

所述布设于燃烧油盘侧方的若干个辐射热流计测量的是油盘燃烧在不同距离与方向上 的辐射热通量的实时变化。

所述布设于燃烧油盘侧方的若干个摄像机拍摄的是不同方向上的油盘内液体燃烧的火 焰形状和蔓延区域的实时变化；

所述各个位置上布设的热电偶、辐射热流计和电子天平的信号输出线接入计算机内的数 据采集卡，进行实时数据采集；

所述通入金属容器内的惰性气体的流量可通过减压阀和流量计的调节进行改变；

所述燃烧油盘是一个中心带有较大面积且在边缘伸出若干个窄槽的带槽油盘；

所述金属容器可更换，改变金属容器底部小孔直径的大小，从而调节熔融热塑性材料液 体向下滴落质量速率的大小。

与现有技术相比，本装置具有如下技术优势：

（1）可实现恒定、可控的热塑性材料熔化液体的滴落质量速率，从而研究不同滴落质 量速率条件下的熔化热塑性材料油池火燃烧与发展规律。

（2）金属容器内竖直布设的两颗热电偶树，可实时测量热塑性材料被加热过程中典型 位置的实时温度变化，从而可知炉内热塑性材料的整个“升温-熔化-塌陷”过程，确定炉内 热塑性材料完全熔化的临界点，即拔除金属容器底部小孔内塞子的时刻，此后开始滴落燃烧 实验；此外，通过对比不同热塑性材料在相同加热条件下的熔化特性，可分析不同材料的受 热熔融行为。

（3）对于上方加热炉内热塑性材料的热解失重和滴落失重，采用第一电子天平进行实 时测量；对于下方燃烧油盘接收滴落熔融热塑性材料和燃烧过程的质量变化，采用第二电子 天平进行实时测量；这两个电子天平分别独立测量两部分的质量变化，从而可分析恒速滴落 质量速率条件下的油池火燃烧发展规律。

（4）通过持续向金属容器内通入惰性气体，保持金属容器内氧气浓度较低，确保金属 容器内的热塑性材料热解出的可燃气体在被加热到完全熔化以及在熔化液体向下持续滴落 的期间都不会被引燃，保证了熔化液滴的持续向下滴落进程；

（5）多支槽的燃烧油盘，不仅可研究持续滴落热塑性材料熔化液体的有源油池火形成 与发展过程，针对不同种类的热塑性材料，还可通过各窄槽内燃烧液体的流动快慢来分析其 流淌燃烧特性的异同。

（6）通过更换底部开孔直径大小不同的金属容器，可研究热塑性材料熔融液体不同滴 落质量速率条件下的油盘燃烧发展特性。

（7）聚合物尤其是热塑性材料燃烧过程中易滴落可燃熔融液体，形成流淌火，本发明 通过加热该类聚合物的方式，实现可控的熔融滴落质量速率，加热炉内的氮气保护方法，确 保聚合物在被加热过程中不发生燃烧，从而定量研究各种聚合物在不同熔融滴落质量速率条 件下的流淌燃烧行为。由于体现熔融滴落燃烧的测试标准尚未建立，该方法可应用于聚合物 燃烧性能的测试及分类，为未来此类测试标准的建立提供依据。

附图说明

图1为具有惰性气体保护的热塑性材料加热熔融滴落燃烧测试装置的结构示意图；

图2为该实验装置金属容器底部开孔与塞子结构示意图；

图3为该实验装置下方的多支槽油盘形状俯视图；

其中：1为金属容器，2为电加热炉，3为第一热电偶树，4为第二热电偶树，5为金属 盖子，6为陶瓷管，7为高压气瓶，8为减压阀，9为流量计，10为第一支架，11为第一电 子天平，12为燃烧油盘，13为第二电子天平，14为第二支架，15为第三热电偶树，16为辐 射热流计，17为摄像机，18为锥形塞子。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

图1给出了本发明的具有惰性气体保护的热塑性材料加热熔融滴落燃烧测试装置的整体 结构示意图，图2为该装置金属容器的底部开孔与塞子的放大图，图3为多支槽俯视图。本 实施例具有惰性气体保护的热塑性材料加热熔融滴落燃烧测试装置放置于一个具有排烟风 机的集烟罩下，这样金属容器内的热解产物和底部油盘燃烧烟气都可通过集烟罩排出室外。

如图1所示，一个底部为锥形的不锈钢金属容器1放置在一个电加热炉2之内。例如： 该金属容器1的底部和侧壁采用电加热炉2的电加热丝进行加热，底部和侧壁的电加热丝放 置于一个底部开有一个小圆孔的电加热炉2的凹槽内。该金属容器1内径为20厘米，壁厚3 毫米，总高度为53.6厘米，金属容器1的锥形底部和电加热炉2的锥形底部的锥角都为150 度，金属容器1的锥形底部开有一个直径为3毫米的小圆孔。金属容器1的竖直中心线上布 设了第一热电偶树3，包括9支热电偶，热电偶的上下间距为4cm，其中最下方的一支热电 偶竖直方向上距离小圆孔5厘米。金属容器1的内部侧壁位置布设了第二热电偶树4，包含 7支热电偶，各热电偶之间的上下间距为4厘米，各热电偶水平方向距离金属容器1的内侧 壁1厘米，侧壁位置布设的最下方一支热电偶竖直方向距离金属容器1的最底端15厘米。 所述金属容器1内部布设的16支热电偶都接入数据采集卡中进行实时数据采集。金属容器1 上方采用一个不锈钢金属盖子5将其盖住，所述金属盖子5上钻有30个直径为0.2厘米的小 孔，这些小孔均匀分布在金属盖子5上。一根通有惰性气体、直径为1厘米的陶瓷管6通过 金属盖子的另一个开孔插入金属容器1内，所述惰性气体从高压气瓶7中输出，经过减压阀 8和流量计9，最终通入金属容器1内。电加热炉2与金属容器1通过第一支架10放置于一 个较高的位置，金属容器1的底部距离地面高度为1.2米，第一支架10放置于在第一电子天 平11上。在电加热炉2的下方放置一个油盘12，该油盘12放置于第二电子天平13上，第 二电子天平13放置第二支架14上。实验测试时，所述第一电子天平11和第二电子天平13 的数据输出线都接入数据采集卡中进行实时数据采集。所述油盘12上方竖直布设了第三热 电偶树15，包含10支热电偶，各热电偶的间距为4厘米，其中最下方那支热电偶竖直方向 上距离油盘12底面20厘米，所述第三热电偶树的各热电偶在水平方向偏离金属容器底部小 孔中心2厘米，从而避免金属容器向下滴落的熔融液滴粘附在热电偶上。在水平方向距离油 盘12中心50厘米、高40厘米位置布设了一个辐射热流计16；两台摄像机17分别从前方和 侧方拍摄油盘12内燃烧的正视图和侧视图。所述热电偶和辐射热流计的数据输出线都接入 数据采集器进行实时数据采集。

如图2所示，开始实验之前，采用一个锥形塞子18从下方穿过电加热炉2的小孔，将 金属容器1的底部开孔封住，插牢之后，打开金属容器1的金属盖子5，将热塑性材料粒子 （如：2千克聚乙烯粒子）缓慢倒入金属容器1内，并轻轻摇晃，使金属容器1内的粒子间 的空隙尽量小，之后，将金属盖子5盖回，将通有惰性气体的管子重新插入金属容器1内， 即可开始实验。首先打开各路热电偶、电子天平、辐射热流计、摄像机的采集程序，之后开 启电加热的电源开始加热，通过金属容器1内的16支热电偶所测温度变化值，判断金属容 器1内的热塑性粒子是否已经完全熔融，即，第一热电偶树3的下方三支热电偶的温度均超 过400度时，从下方拔出锥形塞子18，开始滴落实验，从金属容器1内滴落至油盘12的熔 融热塑性熔液将发生燃烧，这是由于从氮气保护的金属容器1内滴落下来时，油盘12周围 氧气充分，所以可以发生燃烧。油盘12上方的热电偶将对其中的油池燃烧温度场进行测量， 辐射热流计16对该油池火的辐射热通量进行测量，2个摄像机17将分别从前方和侧方两个 角度对油盘燃烧的火焰形态以及液体油池火的流淌进程进行记录。

实验过程中，金属容器1内向下滴落熔融热塑性材料熔液过程中的质量变化，将全程由 第一电子天平11进行测量，该质量变化速率就是热塑性材料熔融液体的滴落质量速率；而 下方油盘内燃烧过程的质量变化，将由第二电子天平13进行测量，该质量变化反应了油盘 内燃烧速率与液滴接收质量速率的综合。

图3给出了下方接收油盘12的具体实施例，该油盘由中心的一个圆形区域与三个分支 槽构成，中心圆形区域的直径为15厘米，三个分支槽的宽度为5厘米，长度为80厘米，整 个油盘高8厘米，三个分支槽两两之间的夹角为120度。实验时，该油盘的中部圆形区域的 圆心在竖直方向上与上方的金属容器底部的小孔圆心相对齐。这样，中心圆形区域接收上方 滴落下来的热塑性材料熔融液滴后发生燃烧，形成初始燃烧区域，随着燃烧的进行，滴落的 可燃熔液不断地在三个分支槽内流动燃烧，分支槽内流动燃烧的快慢与距离可用于定量表征 该类热塑性材料熔融液体的流动燃烧特性，从而衡量其影响火灾蔓延的程度。

所述惰性气体可采用价格较为低廉的工业氮气。