两种海拔高度环境下保温材料PS热解及燃烧特性研究

发布时间：2020-03-25 07:30

【摘要】：当前,聚苯乙烯(PS)泡沫在建筑、交通、化工等领域有着广泛的应用,因其具有导热系数小、质轻、价廉、防潮等优点,作为保温材料已被广泛应用于建筑外墙保温、活动板房夹芯板中。与此同时,近些年来,国家对建筑节能的高度重视,高原环境下以EPS为保温材料的墙体保温已经逐渐发展为趋势,将是我国西部等高海拔地区建筑节能的首要任务。然而,PS耐火性差,极易被引燃,燃烧易放出大量热以及可燃、易爆、刺激性有害气体,一旦发生火灾事故,火灾危害性特别大。因而开展不同区域环境下保温材料PS燃烧特性研究具有重要的现实意义,从而为制定具有我国区域环境特点的保温材料防火设计规范提供参考,丰富低压低氧环境下保温材料燃烧理论特性研究均具有深远的意义。本文以典型EPS、XPS材料为研究对象,针对材料的热解、燃烧、火蔓延、熄灭等进行小尺寸实验研究,研究了材料热解过程中的活化能、指前因子等参数;揭示了不同区域环境,即不同海拔高度情况下,PS燃烧及火蔓延特性规律,重点分析了火蔓延速度、火焰结构形态、质量损失速率等参数变化规律。同时探讨了在低密度情况下,密度、厚度以及角度综合因素对EPS火蔓延及熄灭的影响。最后,结合数值模拟方法,对不同海拔高度环境下PS材料燃烧以及火蔓延进行研究,很好地验证了实验过程中出现的规律和现象。进而为开发具有我国区域环境特点的保温材料PS火灾特性查询系统提供借鉴和参考。首先,通过实验设备对PS燃烧中的着火温度以及氧指数进行了测定,评定了材料的燃烧等级。接着采取微尺度热分析实验手段探究了不同升温速率(10-50℃/min)以及不同氛围(氮气、空气)对PS热分解特性规律参数的影响,分析其热解特性规律。发现PS材料的初始热解失重温度、热解最大速率温度以及热解终止温度都会随着升温速率的增加而增加。在氮气以及空气氛围下都只存在一个热分解阶段,计算分析得到其氮气氛围下的热解活化能约为300kJ/mol,在空气中仅仅只有175kJ/mol,在空气中热分解更加容易。其次,通过搭建小尺寸实验平台,实验研究了不同海拔高度环境下PS材料竖向燃烧以及火蔓延特性,分析了火焰结构、火蔓延速度、质量损失速率、烟气羽流温度等特性参数。研究发现,PS材料在垂直蔓延过程中,燃烧区包括表面燃烧区、墙火区以及由于熔融滴落在下方形成的池火区构成。在平原地区的合肥,较高的大气压力以及充足的氧气浓度使PS材料能够保持完好的竖向燃烧及火蔓延;火蔓延过程包括发展阶段和加速阶段。随着火蔓延的进行,火蔓延速度越来越快,且熔融滴落形成的池火区质量不断增大。高原地区的拉萨环境下,较低的大气压力和氧气浓度只能维持PS材料短时间的竖向燃烧及火蔓延,最终造成了蔓延过程中表面火焰区火焰熄灭现象的产生。整个火蔓延包括发展阶段和停滞阶段。这主要由于拉萨环境下,气压和氧气浓度较小,同时竖向蔓延过程中烟气羽流与试样周围空气形成了卷吸,使PS试样表面燃烧区的氧气浓度进一步降低,最终造成熄灭现象的产生。接着,采用小尺寸实验的方法探究了低密度EPS火蔓延及其熄灭特性,分析了密度、厚度以及角度综合因素对EPS火蔓延及熄灭的影响。研究发现:密度为6kg/m~3的EPS,由于密度很小,材料厚度以及放置角度对其影响受到密度影响的抑制,EPS均无法被火源点燃进而进行火蔓延;而当密度为10kg/m~3的EPS,随着材料厚度以及放置角度的增加,试样经历了从不能点燃,到“S”熄灭,正常蔓延,以及蔓延过程中收缩性熄灭等过程。研究发现,密度为10kg/m~3,厚度为4cm的EPS试样,当放置角度为0°、10°、20°和30°的时候,能够正常蔓延,而当角度增加至40°、50°时,EPS火蔓延过程中出现了收缩性熄灭的现象。通过建立火蔓延过程收缩性熄灭模型,发现火蔓延速度与预热区的长度之间的相互竞争机制,是导致熄灭现象产生的主要原因。最后,进行了不同海拔高度环境PS竖向以及水平火蔓延特性数值模拟研究。针对燃烧过程中,火蔓延速度、质量损失速率、热释放速率以及温度分布等参数进行了数值研究。得到数值模拟的结果与实验结果具有很好的应证性。研究发现,在竖向垂直火蔓延中,在合肥环境下,保温材料PS蔓延过程中产生了加速的现象;而在拉萨环境下,蔓延过程中出现了熄灭现象,这与实验结果是一致的。模拟发现,在合肥,PS材料火焰温度近900℃、而拉萨环境仅有700℃。在水平火蔓延模拟过程中,发现在拉萨环境下PS材料能够很好的进行火蔓延,无熄灭现象的产生。这主要由于,较低的大气压力和氧气浓度对PS燃烧和火蔓延过程中火焰温度、火蔓延速度以及热释放速率等产生了影响。
【图文】：

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海拔高度环境下保温材料 PS 热解及燃烧特性研究2图 1.1 外墙外保温墙体结构示意图1.1.2 模塑聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS）简述EPS 是以聚苯乙烯树脂为主原料经发泡剂发泡制作而成的泡沫塑料板，制成后的 EPS 为硬质闭孔泡沫塑料，内部结构呈蜂窝状结构[7-8]，其微观结构如图 1.2所示[9]。蜂窝泡孔的直径大小约 0.2-0.5mm，壁厚约 0.0001mm[10-11]。在制作过程中，其密度由 PS 颗粒的膨胀倍数所决定，介于 6kg/m3~40kg/m3范围。此外，作为闭孔材料，EPS 内部各气泡处于相互独立的状态

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图 1.1 外墙外保温墙体结构示意图烯泡沫塑料板（EPS）简述苯乙烯树脂为主原料经发泡剂发泡制作而成的泡闭孔泡沫塑料，内部结构呈蜂窝状结构[7-8]，其微的直径大小约 0.2-0.5mm，壁厚约 0.0001mm[10-1 颗粒的膨胀倍数所决定，介于 6kg/m3~40kg/m3范S 内部各气泡处于相互独立的状态，与外界空气隔象仅仅出现在表面层。同时，由于空气作为一种不且不发生变化，，与含有其他气体的泡沫不同，其保S 板的密度决定了保温性能，密度处于 30~40kg国内建筑工程中，采用的 EPS 热导率约 0.031-0.0自身的多孔特性，EPS 除了具有较低热传导率还有
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU551

【参考文献】