阻燃型硬质聚氨酯泡沫制备、燃烧及数值模拟研究

发布时间：2020-09-30 11:33

　　近年来,聚氨酯泡沫保温材料因具有优良的隔热保温和防水性能,在建筑、航空、汽车制造、交通运输、医药、农业等领域得到广泛应用。然而,聚氨酯泡沫具有极易着火、火蔓延速度快、产烟量大且烟气毒性强等特点,使得聚氨酯类建筑火灾事故频频发生,造成了巨大的财产损失和人员伤亡。因而,如何降低聚氨酯泡沫材料的火灾危害性,揭示聚氨酯泡沫材料燃烧规律,从根本上控制火灾的蔓延和扩大,成为当前研究的热点话题。从而,为开发阻燃型聚氨酯泡沫及为聚氨酯泡沫防火设计提供理论参考都具有深远的现实意义。本文对自制的硬质聚氨酯泡沫和阻燃型硬质聚氨酯泡沫的热解及火蔓延特性进行了对比研究,研究了材料在不同升温速率以及不同环境氛围下的失重、活化能等热解特性;通过对聚氨酯泡沫开展中小尺寸火蔓延实验,重点分析火焰结构特性、火蔓延速度、火焰温度、质量损失速率等参数的变化规律,揭示加入不同阻燃剂的聚氨酯材料燃烧及火蔓延规律的区别。最后,通过FDS进行数值模拟,研究硬质聚氨酯泡沫在不同放置角度下双面燃烧及火蔓延特性,模拟结果很好地验证了实验现象;此外对阻燃型聚氨酯泡沫火蔓延特性进行探讨性数值模拟,丰富了聚氨酯泡沫材料火灾特性研究。首先,通过一步合成法制备出阻燃及非阻燃型硬质聚氨酯复合材料,利用同步热重分析仪(TG)对聚氨酯材料在两种氛围(氮气、空气)中的热解行为及热解动力学参数(热失重速率、分解温度、活化能等),以及成炭量进行了分析。研究发现,随着升温速率的增加,反应向高温区移动,主反应区逐渐增大,且最大热失重速率逐渐增大。空气氛围下阻燃及非阻燃型硬质聚氨酯均存在两个主要失重阶段,而氮气氛围下却只存在一个主要的热失重阶段,样品初始分解温度由低到高均为RPUF/EGRPUFRPUF/AHP。运用KAS和OFW方法求得不同转化率时三种聚氨酯样品活化能大小在空气氛围下为:RPUF/AHPRPUFRPUF/EG;而在氮气氛围下为:RPUF/AHPRPUF/EGRPUF。加入可膨胀石墨与次磷酸铝均能提高样品成炭量,在空气氛围下样品800℃成炭率远低于氮气氛围下成炭率。然后,通过搭建中小尺寸聚氨酯火蔓延实验平台,利用热电偶,红外热像,热流计等先进设备对阻燃及非阻燃型硬质聚氨酯复合材料在水平和竖直放置情况下双面燃烧及火蔓延特性进行研究。研究发现,火蔓延过程中,材料表面出现了炭化现象,并且内部均有未燃烧完的材料存在。与此同时,试样RPUF/AHP5(次磷酸铝5份)无论在水平或竖直情况下,火蔓延一段时间后均出现了熄灭现象。这主要由于阻燃剂AHP在高温下分解出的磷化氢气体氧化形成磷酸、偏磷酸等含磷化合物促进聚氨酯分子链成炭,最终使得火焰出现熄灭现象。在水平双面火蔓延情况下,添加可膨胀石墨(EG)的试样弯曲变形最明显,RPUF/EG10的弯曲变形情况明显高于RPUF/EG5,这主要由于EG的强度低所造成的。最后,利用Pyrosim软件对非阻燃型硬质聚氨酯泡沫在0°、30°、45°、60°及90°放置角度下的双面燃烧及火蔓延特性进行数值模拟研究。试样在0°及90°火蔓延数值模拟结果与实验现象高度吻合。研究结果发现,当放置角度为45°时试样燃烧平缓,质量损失速率及燃烧热释放速率均比较低。随着放置角度的增加,火蔓延速度逐渐增加,平均火蔓延速度随放置角度的变化规律遵循下述公式:y(28).131?10~(-3)x~2-0.01527x(10)0.42109。此外,对阻燃型硬质聚氨酯泡沫火蔓延进行了数值模拟的探讨,通过对活化能、成炭率、烟气生产率等参数进行修正,得到阻燃型聚氨酯泡沫模拟结果。
【学位单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ328.3
【部分图文】：

硬质聚氨酯泡沫

随着阻燃型聚氨酯材料的推广，PU 泡沫材料得到了广泛的应用。聚氨酯泡沫实物见图1.1-1.2。图 1.1 硬质聚氨酯泡沫板图 1.2 软质聚氨酯泡沫塑料（b）岩棉：岩棉由优质玄武岩和辉绿岩制成，并添加工业矿渣（粉煤灰等）做为辅料，是一种在高温状态下熔融、纤维化而制成的人造无机纤维[8]。岩棉作为一种常用的无机保温材料，具有优良的隔热、吸音性能和稳定的化学性能，且具有不燃性、高憎水率、低吸湿率等优点。在国外建筑领域，岩棉的利用率达到70％-80％；在日本，岩棉制品的建筑材料市场占有率达到 95％；国内岩棉的市场集中在石油、化工和电力三大领域[9-10]。这是由于国内岩棉生产的原材料与工艺水平与国外相比存在较大差距，其耐水性与强度达不到建筑行业标准。（c）聚苯乙烯：市场调查报告结果显示：PS 保温材料的市场份额已达到70%，采用 EPS 和 XPS 为代表的有机保温材料在国内市场占据主导地位[11]。其中 EPS 是以聚苯乙烯树脂为主要原料利用发泡技术制作而成的泡沫塑料板，制成后的 EPS 为硬质闭孔泡沫塑料，具有优良的隔热、隔声性能，且质量轻，吸水率低、耐低温，易加工，是一种优良的隔热保温材料[12

软质聚氨酯泡沫塑料

第 1 章绪论国节能减排的要求，有机保温材料在我国的应用有了很大的提高。而在整个建筑行业内，使用率最大的保温材料有聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）和岩棉[6-7]。（a）聚氨酯：PU 材料具有优良的保温性能、良好的吸音性能和防水性能，施工方便。常用的 PU 泡沫是硬质 PU 泡沫及软质 PU 泡沫塑料，前者广泛地用于建筑物屋顶、墙体、天花板、地板、门窗等，而软质 PU 泡沫则更多的用于家具垫材、吸音材料及包装材料等。在欧洲和美国等发达国家和地区，PU 利用率占建筑保温材料市场的 49%，尽管在中国仅达到 10%。然而，近年来，随着阻燃型聚氨酯材料的推广，PU 泡沫材料得到了广泛的应用。聚氨酯泡沫实物见图1.1-1.2。

示意图,聚氨酯泡沫,示意图

威胁人类生命财产安全和工农业发展。1.1.3 聚氨酯保温材料火灾危险性聚氨酯泡沫保温材料燃烧过程类似于普通高分子材料的燃烧过程，可分为五个阶段：热量积聚、热分解与挥发、材料着火、传热、火焰蔓延[20]。聚氨酯泡沫燃烧的示意图如图 1.3 所示。聚氨酯泡沫受到外部热源加热，使其内部热量增加发生熔融塌陷，随着内部温度的不断升高，达到分解温度时材料与空气中的氧气作用发生热分解反应，在热解阶段产生的可燃气体与空气中的氧气在足够的热量下发生强烈的化学反应，造成燃烧现象。聚氨酯泡沫材料燃烧过程中放出大量的光和热量，一部分热量以辐射传热的方式释放到周围环境中，一部分热量传递给材料，使聚氨酯泡沫继续进行热分解反应，以维持燃烧过程。如此循环，直至材料燃尽。在燃尽区内聚氨酯材料中难燃的固体炭以炭渣的形式残留下来（燃尽区内炭渣易发生无焰燃烧现象），材料热分解时释放的不燃性气体与火焰燃烧过程中释放的烟气最终以废气的形式排放到空气中，形成有毒有害的气体。

【相似文献】