高速列车典型内饰材料热解、燃烧及火蔓延特性研究

发布时间：2020-09-18 13:06

　　近年来高速列车已经成为人们出行首要选择的线路交通工具,一旦发生火灾事故就会产生严重的人员伤亡和环境污染。虽然高速度列车内饰材料为阻燃材料,在正常环境下难以点燃,但在电器火或人为纵火下仍能被点燃,甚至会产生火蔓延。作为行李架和小桌板的阻燃聚碳酸酯板和作为地板重要组成部分的阻燃橡胶地板布是高速列车主要的内装材料,其热解、燃烧及火蔓延特性与木材、非碳化高聚物以及三元已丙橡胶碳化类高聚物等的热解、燃烧及火蔓延特性差异较大,因此二者作为本研究的主要对象。采用实验和理论相结合的方法开展不同环境下样品热解、燃烧及火蔓延特性研究,并建立相应的模型,便于进行火灾危险评估。(1)基于实验法从微观和宏观方面探究样品热解特性基于热重红外实验从微观上开展不同温升速率和环境气氛下样品热解特性研究。结果表明随着温升速率的增加,阻燃聚碳酸酯和阻燃橡胶地板布的热解和质量损失速率曲线均向高温区移动,采用Kissinger方法对样品的活化能进行计算。阻燃聚碳酸酯仅有一个热解分解阶段,氮气气氛下热解产物为(水、二氧化碳、酚类物质、甲烷、乙烯和芳环有机物),官能团为(C-H、-CH3或-CH2)。阻燃橡胶地板布有两个热解阶段,热解产物为(水、二氧化碳、甲烷、乙烯),官能团为(-CH3或-CH2、C=C)。氮气条件下采用火焰增长量热仪从宏观上研究样品热解行为。阻燃聚碳酸酯在整个热解过程中膨胀起泡,并结焦碳化。阻燃橡胶地板热解初期出现起泡现象,并出现气泡的破裂,低外加辐射热流下样品会出现断裂的现象,随着外加辐射热流增大,此现象逐渐消失。建立氮气气氛下质量损失速率与外加辐射热流之间的关系,确定样品汽化热。(2)基于实验和理论研究氧浓度和外加辐射热流对样品燃烧特性的影响基于火焰增长量热仪实验结果建立不同气氛下质量损失速率与外加辐射热流之间关系,获得不同气氛下样品热阻碍系数;基于变氧技术测量不同外加辐射热流下样品极限氧浓度;基于最小热流来代替临界热流和对流传热系数作为外加辐射热流的函数,建立样品点燃温度模型,模型计算值和测量值更加接近;建立不同氧浓度下点燃时间与外加辐射热流之间的关系,发现膨胀和起泡膨胀碳化材料在不同气氛下的点燃时间关系不再严格遵循热薄材料经典公式;发现样品燃烧过程中会存在明显的过渡区,即氧控制过渡到外加辐射热流控制。(3)基于实验和理论研究氧浓度和外加辐射热流共同影响的样品垂直火蔓延特性样品火蔓延速度随着氧浓度和外加辐射热流的增大而增大,样品火蔓延速率分别与氧浓度和外加辐射热流呈现幂指数关系。同一外加辐射热流下,火蔓延速度与不同的氧浓度的幂指数约为2:同一氧浓度下,火蔓延速度与不同外加辐射热流的幂指数最小值均出现在氧浓度为30%时环境下;样品质量损失速率与热解高度关系受样品的种类影响较大,二者之间呈现幂的关系。低氧和空气环境下低外加辐射热流时,阻燃聚碳酸酯质量损失速率与热解高度的拟合指数主要1.3左右,高辐射热流时在2.5左右波动;高氧环境下低外加辐射热流时其拟合指数在1.4左右波动,高辐射热流时,指数波动比较大。不同氧浓度和不同外加辐射热流下,阻燃橡胶地板布质量损失速率与样品热解高度的拟合指数在1左右波动。阻燃聚碳酸酯和橡胶地板布质量损失速率与火焰高度之间的关系都符合于“贴壁理论”,二者之间呈现幂关系,其指数约为2/3。本研究成果有助于预防高速列车内饰材料火灾发生,为高速列车防火安全设计提供基本数据和技术指导,同时也在一定程度丰富了火灾科学理论。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U270.4;U298.4
【部分图文】：

碳化材料,燃烧机理,样品点,燃烧特性

挥发的可燃性气体较多，会导致热释放速率继续增长。Ｗｕ［２９］通过ＦＰＡ改变燃烧逡逑过程中的氧浓度，发现随着氧浓度的提升聚碳酸酯的最大热释放速率逐渐增加。逡逑橡胶作为起泡碳化材料，其燃烧机理如图１－２所示。当材料表层接收一定外逡逑加热辐射时，材料表面受热开始起泡，当气泡内部压力大于外加压力时，起泡破逡逑裂并释放可燃料气体，可燃气体接触电火花和点火焰时，样品被点燃，但是由于逡逑样品气泡破裂产生的冲击力过大，带起部分样品表皮飞出，可能导致刚刚点燃的逡逑样品熄灭，当样品燃烧达到一定强度后，产生热量会加速样品内部分解产生更多逡逑可燃气体。燃料过程中出现样品断裂或龟裂（和木材燃料行为类似［３？３２］）。逡逑气体挥发物逡逑反应热逡逑蒸发ｔ逡逑麻热逦▲逡逑ｔ邋—邋”逡逑起泡层逡逑—？碳层逡逑Ｉ逦？未分解层逡逑Ｖ逡逑热传导逡逑图１＿２起泡碳化材料燃烧机理逡逑谌瑞宇对［３３－３４］ＥＰＤＭ橡胶燃烧特性进行研究，样品点燃之前主要观察到两种逡逑现象，一是试样开裂的声音，二是灰白色的挥发性气体。低热流下分解出的可燃逡逑性挥性气体的数量短时间内不足以维持试样的持续燃烧，样品表面会出现间歇火逡逑焰

火蔓延,机理

蔓延速度与氧浓度呈现幂指数关系，其指数为２．１。而Ｔｓａｉ［４Ｑ］采用锥形量热仪对逡逑ＰＭＭＡ垂直顺流火蔓延进行研宄，通过改变锥辐射角度来实现样品表面受热均逡逑匀，实现不同热辐射热流下材料的火蔓延。碳化材料垂直火蔓延机理［４１４２］如图１－逡逑３所示。逡逑？逦，邋，邋逦？火焰前锋逡逑勹；逡逑火ｕ预热区逡逑炮８逡逑Ｊ邋！逦逡逑—一－？逦逦？火焰末端逡逑燃尽区逡逑图１－３垂直火蔓延机理逡逑垂直火蔓延计算如式１－２所示逡逑（Ｘ－Ｘ邋）逦，逦、逡逑ｙｆ0＝—￣￣－逦（１－２）逡逑Ｔ逡逑６逡逑

装置图,热重分析仪,热解气体,输送管

升和不同环境气氛下的失重及热变化过程，和热解气体成份的测量。本研究中所逡逑采用的热重－红外联用仪由美国ＰｅｒｋｉｎＥＩｍｅｒ公司研制和开发的，该实验装置的逡逑实物图由图２－１所示。逡逑柋渪逡逑图２－ｌＴＧ￣ＦＴＩＲ实特装置图：（ａ）热重分析仪（ＳＴＡ－８０００）邋（ｂ）热解气体输送管（ｃ）气逡逑体收集槽（ｄ）邋ＩＲ光谱分析仪（ｅ）数据采集终端（ｆ）气瓶逡逑热重红外联用分析仪主要部件由热重分析仪、气体输送管、气体收集槽、ＩＲ逡逑光谱分析仪、数据采集终端和气瓶（主要为热分解提供气氛环境）。其工作原理逡逑为供气装置以恒定速率（５０ｍＬ／ｍｍ）向热重分析仪内的燃烧炉吹扫热分解的环境逡逑气氛，将粉未状样品（８－ｌＯｍｇ）放置于燃烧炉中，以恒定的温升速率加热样品，逡逑使样品分解失重，失重过程产生的挥发性气体通过气体输送管被泵抽到红外收集逡逑中，并通过红外光谱仪进行分析Ｗ。红外光谱分析的工作原理主要为［４］物质通过逡逑当具有连续波长的红外光束，当物质分子中某个基团的振动频率或旋转频率和红逡逑１３逡逑

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