近年來,聚氨酯泡沫保溫材料因具有優(yōu)良的隔熱保溫和防水性能,在建筑、航空、汽車制造、交通運(yùn)輸、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而,聚氨酯泡沫具有極易著火、火蔓延速度快、產(chǎn)煙量大且煙氣毒性強(qiáng)等特點(diǎn),使得聚氨酯類建筑火災(zāi)事故頻頻發(fā)生,造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。因而,如何降低聚氨酯泡沫材料的火災(zāi)危害性,揭示聚氨酯泡沫材料燃燒規(guī)律,從根本上控制火災(zāi)的蔓延和擴(kuò)大,成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)話題。從而,為開發(fā)阻燃型聚氨酯泡沫及為聚氨酯泡沫防火設(shè)計(jì)提供理論參考都具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)自制的硬質(zhì)聚氨酯泡沫和阻燃型硬質(zhì)聚氨酯泡沫的熱解及火蔓延特性進(jìn)行了對(duì)比研究,研究了材料在不同升溫速率以及不同環(huán)境氛圍下的失重、活化能等熱解特性;通過對(duì)聚氨酯泡沫開展中小尺寸火蔓延實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)分析火焰結(jié)構(gòu)特性、火蔓延速度、火焰溫度、質(zhì)量損失速率等參數(shù)的變化規(guī)律,揭示加入不同阻燃劑的聚氨酯材料燃燒及火蔓延規(guī)律的區(qū)別。最后,通過FDS進(jìn)行數(shù)值模擬,研究硬質(zhì)聚氨酯泡沫在不同放置角度下雙面燃燒及火蔓延特性,模擬結(jié)果很好地驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;此外對(duì)阻燃型聚氨酯泡沫火蔓延特性進(jìn)行探討性數(shù)值模擬,豐富了聚氨酯泡沫材料火災(zāi)特性研究。首先,通過一步合成法制備出阻燃及非阻燃型硬質(zhì)聚氨酯復(fù)合材料,利用同步熱重分析儀(TG)對(duì)聚氨酯材料在兩種氛圍(氮?dú)狻⒖諝?中的熱解行為及熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)(熱失重速率、分解溫度、活化能等),以及成炭量進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn),隨著升溫速率的增加,反應(yīng)向高溫區(qū)移動(dòng),主反應(yīng)區(qū)逐漸增大,且最大熱失重速率逐漸增大�？諝夥諊伦枞技胺亲枞夹陀操|(zhì)聚氨酯均存在兩個(gè)主要失重階段,而氮?dú)夥諊聟s只存在一個(gè)主要的熱失重階段,樣品初始分解溫度由低到高均為RPUF/EGRPUFRPUF/AHP。運(yùn)用KAS和OFW方法求得不同轉(zhuǎn)化率時(shí)三種聚氨酯樣品活化能大小在空氣氛圍下為:RPUF/AHPRPUFRPUF/EG;而在氮?dú)夥諊聻?RPUF/AHPRPUF/EGRPUF。加入可膨脹石墨與次磷酸鋁均能提高樣品成炭量,在空氣氛圍下樣品800℃成炭率遠(yuǎn)低于氮?dú)夥諊鲁商柯�。然�?通過搭建中小尺寸聚氨酯火蔓延實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用熱電偶,紅外熱像,熱流計(jì)等先進(jìn)設(shè)備對(duì)阻燃及非阻燃型硬質(zhì)聚氨酯復(fù)合材料在水平和豎直放置情況下雙面燃燒及火蔓延特性進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn),火蔓延過程中,材料表面出現(xiàn)了炭化現(xiàn)象,并且內(nèi)部均有未燃燒完的材料存在。與此同時(shí),試樣RPUF/AHP5(次磷酸鋁5份)無論在水平或豎直情況下,火蔓延一段時(shí)間后均出現(xiàn)了熄滅現(xiàn)象。這主要由于阻燃劑AHP在高溫下分解出的磷化氫氣體氧化形成磷酸、偏磷酸等含磷化合物促進(jìn)聚氨酯分子鏈成炭,最終使得火焰出現(xiàn)熄滅現(xiàn)象。在水平雙面火蔓延情況下,添加可膨脹石墨(EG)的試樣彎曲變形最明顯,RPUF/EG10的彎曲變形情況明顯高于RPUF/EG5,這主要由于EG的強(qiáng)度低所造成的。最后,利用Pyrosim軟件對(duì)非阻燃型硬質(zhì)聚氨酯泡沫在0°、30°、45°、60°及90°放置角度下的雙面燃燒及火蔓延特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。試樣在0°及90°火蔓延數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象高度吻合。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)放置角度為45°時(shí)試樣燃燒平緩,質(zhì)量損失速率及燃燒熱釋放速率均比較低。隨著放置角度的增加,火蔓延速度逐漸增加,平均火蔓延速度隨放置角度的變化規(guī)律遵循下述公式:y(28).131?10~(-3)x~2-0.01527x(10)0.42109。此外,對(duì)阻燃型硬質(zhì)聚氨酯泡沫火蔓延進(jìn)行了數(shù)值模擬的探討,通過對(duì)活化能、成炭率、煙氣生產(chǎn)率等參數(shù)進(jìn)行修正,得到阻燃型聚氨酯泡沫模擬結(jié)果。
【學(xué)位單位】：安徽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TQ328.3
【部分圖文】：

隨著阻燃型聚氨酯材料的推廣，PU 泡沫材料得到了廣泛的應(yīng)用。聚氨酯泡沫實(shí)物見圖1.1-1.2。圖 1.1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫板 圖 1.2 軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料（b）巖棉：巖棉由優(yōu)質(zhì)玄武巖和輝綠巖制成，并添加工業(yè)礦渣（粉煤灰等）做為輔料，是一種在高溫狀態(tài)下熔融、纖維化而制成的人造無機(jī)纖維[8]。巖棉作為一種常用的無機(jī)保溫材料，具有優(yōu)良的隔熱、吸音性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能，且具有不燃性、高憎水率、低吸濕率等優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)外建筑領(lǐng)域，巖棉的利用率達(dá)到70％-80％；在日本，巖棉制品的建筑材料市場(chǎng)占有率達(dá)到 95％；國(guó)內(nèi)巖棉的市場(chǎng)集中在石油、化工和電力三大領(lǐng)域[9-10]。這是由于國(guó)內(nèi)巖棉生產(chǎn)的原材料與工藝水平與國(guó)外相比存在較大差距，其耐水性與強(qiáng)度達(dá)不到建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。（c）聚苯乙烯：市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告結(jié)果顯示：PS 保溫材料的市場(chǎng)份額已達(dá)到70%，采用 EPS 和 XPS 為代表的有機(jī)保溫材料在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位[11]。其中 EPS 是以聚苯乙烯樹脂為主要原料利用發(fā)泡技術(shù)制作而成的泡沫塑料板，制成后的 EPS 為硬質(zhì)閉孔泡沫塑料，具有優(yōu)良的隔熱、隔聲性能，且質(zhì)量輕，吸水率低、耐低溫，易加工，是一種優(yōu)良的隔熱保溫材料[12

第 1 章 緒論國(guó)節(jié)能減排的要求，有機(jī)保溫材料在我國(guó)的應(yīng)用有了很大的提高。而在整個(gè)建筑行業(yè)內(nèi)，使用率最大的保溫材料有聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）和巖棉[6-7]。（a）聚氨酯：PU 材料具有優(yōu)良的保溫性能、良好的吸音性能和防水性能，施工方便。常用的 PU 泡沫是硬質(zhì) PU 泡沫及軟質(zhì) PU 泡沫塑料，前者廣泛地用于建筑物屋頂、墻體、天花板、地板、門窗等，而軟質(zhì) PU 泡沫則更多的用于家具墊材、吸音材料及包裝材料等。在歐洲和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，PU 利用率占建筑保溫材料市場(chǎng)的 49%，盡管在中國(guó)僅達(dá)到 10%。然而，近年來，隨著阻燃型聚氨酯材料的推廣，PU 泡沫材料得到了廣泛的應(yīng)用。聚氨酯泡沫實(shí)物見圖1.1-1.2。

威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全和工農(nóng)業(yè)發(fā)展。1.1.3 聚氨酯保溫材料火災(zāi)危險(xiǎn)性聚氨酯泡沫保溫材料燃燒過程類似于普通高分子材料的燃燒過程，可分為五個(gè)階段：熱量積聚、熱分解與揮發(fā)、材料著火、傳熱、火焰蔓延[20]。聚氨酯泡沫燃燒的示意圖如圖 1.3 所示。聚氨酯泡沫受到外部熱源加熱，使其內(nèi)部熱量增加發(fā)生熔融塌陷，隨著內(nèi)部溫度的不斷升高，達(dá)到分解溫度時(shí)材料與空氣中的氧氣作用發(fā)生熱分解反應(yīng)，在熱解階段產(chǎn)生的可燃?xì)怏w與空氣中的氧氣在足夠的熱量下發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，造成燃燒現(xiàn)象。聚氨酯泡沫材料燃燒過程中放出大量的光和熱量，一部分熱量以輻射傳熱的方式釋放到周圍環(huán)境中，一部分熱量傳遞給材料，使聚氨酯泡沫繼續(xù)進(jìn)行熱分解反應(yīng)，以維持燃燒過程。如此循環(huán)，直至材料燃盡。在燃盡區(qū)內(nèi)聚氨酯材料中難燃的固體炭以炭渣的形式殘留下來（燃盡區(qū)內(nèi)炭渣易發(fā)生無焰燃燒現(xiàn)象），材料熱分解時(shí)釋放的不燃性氣體與火焰燃燒過程中釋放的煙氣最終以廢氣的形式排放到空氣中，形成有毒有害的氣體。

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