环境压力对非碳化黑色ABS热解、着火性能及CO释放影响研究

作     者：康茹雪 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宗若雯

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0837[工学-安全科学与工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：环境压力 热解行为 一维热解模型 着火性能 CO毒性评价 

摘      要：非碳化聚合物在现代生活中的应用范围越来越广,但其在外部热辐射的作用下会发生热解、燃烧,同时产生有毒或刺激性烟气,危害人类财产及生命安全。现阶段已经有许多研究人员致力于非碳化聚合物在外部热辐射下的热解及燃烧行为的研究,但大部分的研究都是在常压环境下进行的,高原地区或者特殊的低压低氧地区下的火行为会与常压下的火行为有很大差异,环境压力对材料的热解着火特性以及毒性气体释放均存在不同程度的影响。目前,对不同的环境压力对非碳化聚合物的火灾行为研究还不够全面,在实际情况中,材料的热解和燃烧也会在贫氧环境中进行,但显然对此方面的研究还缺乏系统性。本文开展了一系列实验及理论研究,对非碳化聚合物黑色丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)在不同环境压力下的热解行为、着火性能和毒性气体(一氧化碳CO)释放进行了实验研究,同时还基于实验条件建立了表面吸收一维热解模型,并利用FED失能模型对CO毒性进行了分析评价,讨论了 CO毒性和CO浓度和人员暴露时间的关系。首先,通过改变辐射热流密度和环境压力对黑色ABS的热解行为进行了研究,发现环境压力会影响样品表面的热对流系数和热解气体的释放速率,从而对样品的炭残渣、表背面温度和失重速率有影响,在低热流密度作用下影响更明显。环境压力越大,炭残渣的表面气泡越大,温度越低,热解速率越小。受热解速率的影响,不同辐射热流密度下,样品热解特征参数对环境压力的反应不尽相同。样品的完全热解时间与环境压力成正比关系。其次,建立了表面吸收一维热解模型,模型基于实验条件和聚合物热解过程中的能量守恒,考虑非碳化聚合物的熔融特点和背面绝热,利用有限差分法对样品在不同工况下的表面温度、背面温度和质量损失速率进行了预测,并与实验结果进行了对比,讨论了模型的适用范围。结果表明因为热物理参数、吸热方式和样品熔融等原因造成的影响,模拟结果与实验结果之间会存在误差,但总体来说,实验值和模拟值较为一致。高热流密度下的模拟情况要好于低热流密度下,低压下的模拟情况要优于高压。最后,通过改变辐射热流密度和环境压力对黑色ABS的着火行为和毒性气体释放进行了实验研究,对不同环境压力下CO的释放特性进行了分析,并利用FED失能模型对材料的CO毒性进行了评价,揭示了 CO浓度和人员的暴露时间和失能情况的关系。结果表明在不同辐射热流密度下,着火时间和临界着火温度对环境压力的反应不尽相同。热解过程中材料的着火会影响环境中的CO浓度。在30～50kW/m2热流密度下,实验舱内的CO体积浓度与环境压力成反比关系。