氧气浓度和材料特性对热塑性聚氨酯材料火灾烟气毒性影响研究

发布时间：2020-06-27 21:42

【摘要】：聚氨酯具有非常多的优良特点,比如耐磨性能好、耐低温性能强等,因此被广泛应于汽车行业、建筑行业和医疗用品行业等领域。但聚氨酯在燃烧时十分危险,其会释放出许多热量,以及一氧化碳(CO)、氰化氢(HCN)、氯化氢(HC1)等有毒有害气体。前人对于火灾烟气毒性研究主要集中于CO和C02,对于HCN等毒性气体和各毒性气体之间的相互作用研究较少。同时,前人进行了阻燃剂对聚氨酯材料的影响研究,但主要集中在了单组份阻燃剂对于火灾烟气毒性释放的影响。此外,前人在研究中发现了氧气对于材料燃烧的重要性,但对于火灾烟气毒性气体随氧气浓度变化的规律和机理研究较少,且实验中选取的氧气浓度也不连续。本文开展了一系列火灾烟气毒性实验,重点研究了氧气浓度变化、材料特性改变对于热塑性聚氨酯材料的火灾烟气毒性产物释放影响,最后利用层次分析法(AHP)对热塑性聚氨酯及其复合材料进行了火灾危险性的综合评价。首先,通过改变氧气浓度对热塑性聚氨酯(TPU)的热解行为进行研究。氧气使得TPU达到其分解速率峰值的温度提前,表明由于氧气增加使得TPU的热稳定性下降。当氧气浓度超过3 0%时,TPU的燃烧占据主导地位。随着氧气浓度上升,Ea值增大,在15%氧气浓度之后,Ea值随着氧气浓度继续上升而下降。HCN在TPU燃烧过程中持续释放,受氧气浓度影响不大。CO释放的最大值随着氧气浓度的上升而增加,可能是因为O2一方面用于TPU的燃烧,另一方面用于CO的氧化。随着氧气浓度的上升,氧气不断地用于TPU燃烧,成为主要消耗途径,因此CO的释放也增加。其次,通过聚磷酸铵(APP)、氢氧化铝(ATH)和纳米蒙脱土(MMT)按照不同比例组合成三组阻燃添加剂,包括APP-ATH,APP-MMT和APP-ATH-MMT,将不同添加剂分别加入到TPU中以降低其毒性。通过对热塑性聚氨酯及其复合材料进行热解气体分析,APP、ATH和MMT三者加强了TPU向异氰酸酯的转化过程,因此CO和CO2产量降低,用于CO转化为CO2的O2也减少,对应O2消耗量也减少。进行FED计算,发现对于每组毒性气体而言,APP-ATH组样品的毒性降低主要是由于CO和HCN的释放,MMT的加入能够帮助降低CO的释放。超过50%的FED值是由HCN的毒性引起的,说明在TPU的火灾烟气中HCN的毒性起着重要作用。最后,基于层次分析法(AHP)综合评价三类热塑性聚氨酯及其复合材料的火灾危险性。本文中,将HCN浓度作为特殊毒性危害指标,CO和CO2浓度作为一般毒性危害指标,将热释放速率峰值(PHRR)、平均热释放速率(HRR)、总热释放量(THR)作为热危害指标,将产烟速率峰值(SPR)作为烟危害指标,综合定量评价了热塑性聚氨酯及其复合材料的火灾危险性大小。其中,聚磷酸按(APP)能够强有力的减少热量释放,聚磷酸铵(ATH)、氢氧化铝(ATH)和蒙脱土(MMT)三者加强了热塑性聚氨酯向异氰酸酯的转化过程,使得CO和CO2产率降低。实验结果说明了综合热、烟、毒三个层次来降低聚合物材料火灾危险性是可行的。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ323.8
【图文】：

联用仪,热重,红外,热分解

３．３实验结果及讨论逡逑３．３．１热稳定性和残留物分析逡逑对２０°Ｃ／ｍｉｎＴＰＵ颗粒在氮气气氛下的ＴＧＡ数据进行分析，如图３．２所示，逡逑在此图基础上对最初始分解温度Ｔｊｗｔ％邋（质量损失为５％时的温度）、Ｔ！（第一次逡逑达到热分解速率峰值时的温度）和Ｔ２邋（第二次达到热分解速率峰值时的温度）的逡逑定义进行阐述。逡逑２０逡逑

加热速率,热塑性聚氨酯,氮气气氛,热重

逡逑图３．１实验用热重红外联用仪逡逑实验的样品为市场购入的ＴＰＵ塑料，统一切割成１０ｍｇ左右的小颗粒，不逡逑再做进一步处理。样品详细信息如表３．１所示。逡逑逦表３．１样品详细信息表逦逡逑样品名称逦生产商逦密度（ｇ／ｃｍ３）邋熔点逡逑ＴＰＵ邋（热塑性聚氨酯）逦东莞朗格塑料有限公司逦Ｌ１７逦７３。。逡逑３．２．２实验过程逡逑实验前，先将ＴＰＵ颗粒放至烘干机中，在８０°Ｃ下烘干１２邋ｈ，取出待用。将逡逑大约ｌＯｍｇＴＰＵ颗粒放入坩埚中，加热范围为３０－７００°Ｃ，加热速率分别为１０，２０，逡逑３０°Ｃ／ｍｉｎ。氧浓度范围为邋０％，邋５％，１０％，１５％，２１％邋（空气），３０％，邋５０％和邋７０％，逡逑进气流量为４５邋ｍｌ／ｒｎｉｎ。为了避免气相产物凝结，不锈钢传送管和气体箱加热维逡逑持在１８０°Ｃ。逡逑３．３实验结果及讨论逡逑３．３．１热稳定性和残留物分析逡逑对２０°Ｃ／ｍｉｎＴＰＵ颗粒在氮气气氛下的ＴＧＡ数据进行分析，如图３．２所示，逡逑在此图基础上对最初始分解温度Ｔｊｗｔ％邋（质量损失为５％时的温度）、Ｔ！（第一次逡逑达到热分解速率峰值时的温度）和Ｔ２邋（第二次达到热分解速率峰值时的温度）的逡逑定义进行阐述。逡逑２０逡逑

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