PE和PP阻燃塑料的热解规律及火灾危险性研究

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聚乙烯和聚丙烯是应用最多的两种通用塑料,生产厂家通常会添加阻燃剂进行阻燃处理。阻燃材料的热解和燃烧特性相对聚合物纯品会发生改变,所以探究不同阻燃聚合物热解燃烧特性对于火灾调查过程中了解火势发展蔓延具有重要价值。基于此,本论文选取溴系、膨胀、无机磷、氮系阻燃剂四类共八种典型商用阻燃剂,制备了阻燃聚乙烯和阻燃聚丙烯试样并开展热解和燃烧实验研究。以制成的阻燃试样为研究对象,首先利用垂直燃烧等级测试初步验证阻燃性能,阻燃试样的阻燃性能有大幅提升。随后借助热重分析仪研究了试样热解失重规律。研究发现,随着升温速率增大,试样热解温度整体升高,所有膨胀阻燃试样质量剩余率增大,无机磷阻燃试样质量剩余率减小(MRP阻燃试样除外)。与纯样相比,大多阻燃试样的热解速率峰值和起始分解温度有不同程度降低。热解结束后所有溴系和氮系阻燃试样无质量剩余,膨胀和无机磷阻燃试样有剩余残炭。聚丙烯试样热解温度和热解速率峰值整体低于聚乙烯试样,大多数阻燃剂分解温度明显低于聚乙烯,而与聚丙烯接近,匹配度更高。结合Kissinger法和FWO法计算了试样的活化能,其结果相对偏差在10%以内。试样热解失重规律还可为判断材料阻燃成分提供参考。实验利用裂解气相色谱/质谱法分析了试样热解产物规律。聚乙烯试样总离子流图为“三联峰”形态。其中,溴系阻燃试样短链烃减少,长链烃增加。膨胀阻燃试样烃类物质含量最低。无机磷阻燃试样短链烃有所降低,但是长链烃并无增加。氮系阻燃试样烃类组成与聚乙烯纯样接近。聚丙烯阻燃试样的脂肪族烃类含量明显降低,脂环族烃类含量明显增加。其中,溴系阻燃试样脂环族烃类含量最高。膨胀阻燃试样的醇酮类物质含量最高。无机磷阻燃试样环状产物较少但醇酮含量较高。氮系阻燃试样脂环族烃类有所增加,但脂肪族烃类无明显减少。阻燃试样热解产物中还出现了一些特征产物,这些产物有助于溯源材料阻燃成分,为确定人员中毒原因提供依据。随后通过锥形量热仪研究试样的燃烧行为。阻燃试样热释放速率峰值下降,不同试样的热释放速率呈现出不同的特点(如膨胀阻燃试样的双峰曲线,无机磷阻燃试样的前单峰曲线,氮系阻燃试样的后单峰曲线)。阻燃试样总热释放量较纯样下降,总放热量减少。有效燃烧热显示溴系阻燃试样的平均值降幅最大,气相中阻燃效果最好。除所有溴系阻燃试样和聚乙烯无机磷阻燃试样外,其他阻燃试样产烟速率峰值都有所降低。所有阻燃剂中只有膨胀和氮系阻燃剂降低了聚合物CO释放速率峰值。最后基于燃烧行为参数,通过层次分析-熵权法构建火灾危险性评价模型,发现溴系阻燃试样综合火灾危险性最高,膨胀和无机磷阻燃试样次之,氮系阻燃试样最低,说明火场中溴系阻燃材料附近发生人员伤亡可能性较高,氮系阻燃材料附近可能性较低。
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