本文選題：聚合物　切入點：熱解　出處：《中國科學技術(shù)大學》2017年博士論文

【摘要】：可燃物的熱解與火蔓延過程是火災中初始階段和發(fā)展階段的兩個分過程。熱解是火蔓延的基礎(chǔ),決定著材料后續(xù)火災的發(fā)展,火焰的熱反饋輻射到材料表面又加劇了熱解,因此材料的熱解與火蔓延特性研究一直是國內(nèi)外火災科學工作者重點研究的對象。聚合物材料作為建筑中常用的功能及裝飾材料,廣泛應用于外墻保溫及室內(nèi)裝修領(lǐng)域,其在火災中的諸多特殊的燃燒行為使得聚合物成為火災科學領(lǐng)域研究最為深入的材料。當聚合物材料表面存在外加熱流時,暴露于熱流的材料開始發(fā)生熱解并產(chǎn)生大量可燃氣,可燃氣在材料表面以析出氣泡的形式從材料的內(nèi)部傳輸?shù)讲牧系谋砻?與材料表面的空氣預混形成預混可燃氣,遇到明火后便會在熱解區(qū)上方形成火焰。同時,熱解區(qū)的火焰會以熱傳導、熱對流及熱輻射三種傳熱方式對四周未燃區(qū)的材料實施熱量傳遞,未燃區(qū)的材料受熱后會繼續(xù)分解產(chǎn)生可燃氣,當未燃區(qū)的可燃氣達到一定濃度時,則會被熱解區(qū)的火焰點燃,如此往復循環(huán)使得材料的表面形成持續(xù)的火蔓延現(xiàn)象。與其他的木材、棉、麻等可燃物相比,聚合物材料屬于化學合成,更容易被點燃,同時燃燒熱解過程中會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體,此外熱塑性材料在燃燒及火蔓延過程中還容易發(fā)生熔融滴落的現(xiàn)象。熱解是燃燒的第一步,而反應動力學的研究又是研究熱解的基礎(chǔ),通過熱解反應動力學可以探索聚合物熱解反應速率及反應機理。熱解方面,本文選取了Extruded polystyrene(XPS)和Polyurethane(PU)分別作為聚合物一步反應和多步反應的代表,對兩種材料的熱解動力學進行了深入的研究。通過遺傳算法對XPS及PU各步反應進行分離,并分別計算每一步反應的動力學參數(shù),然后將計算結(jié)果與傳統(tǒng)的動力學方法 Kissinger-Akahira-Sounose(KAS)法、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法及Friedman法進行比較。遺傳算法對反應物、中間產(chǎn)物及最終產(chǎn)物的計算完全是以理論計算為基準的,為了驗證其有效性,我們采用TG-MS和FTIR技術(shù)對熱解過程中的產(chǎn)物進行監(jiān)測,并與遺傳算法的計算結(jié)果進行對比,從而驗證了遺傳算法在聚合物熱解動力學中應用的準確性。在火蔓延方面,本文在熱解研究的基礎(chǔ)上對聚合物材料的水平及豎直火蔓延進行了實驗及理論研究。首先,選取了 Polymethylmethacrylate(PMMA)、XPS和Expandable polystyrene(EPS)三種典型的聚合物作為水平火蔓延的研究材料,并將材料的幾何尺寸設定成不同的寬度和厚度。試驗發(fā)現(xiàn)隨著材料寬度的變化,聚合物的水平火蔓延速度在某一寬度范圍內(nèi)會出現(xiàn)最小值。基于這一特殊的實驗現(xiàn)象,本文建立了火蔓延過程中的熱輸運模型,從傳熱的角度指出了最小火蔓延速度的產(chǎn)生機制。該模型指出水平火蔓延過程是受火焰的對流及輻射兩種競爭機制所控制的,而且熱解區(qū)的總熱流隨材料的火蔓延速度出現(xiàn)了相同的變化規(guī)律。最后,本文以不同尺寸的PMMA材料為研究對象,探究了材料寬度及厚度對豎直火蔓延的影響,并將研究結(jié)果與前人所研究的大尺度PMMA豎直火蔓延研究結(jié)果進行對比。由于聚合物材料的豎直火蔓延主要受控于浮力驅(qū)動的對流傳熱,因此本文以對流傳熱分析而基礎(chǔ),建立了基于Emmons假設的質(zhì)量損失速率模型,并得到了較為理想的預測結(jié)果。該模型擁有較廣的預測范圍,可適用于浮力驅(qū)動的豎直火蔓延及水平外加風作用下強迫對流。該模型中的質(zhì)量損失速率為材料尺寸及熱物理參數(shù)的函數(shù)。最后,本文對水平和豎直火蔓延過程中的火焰高度進行無量綱分析,建立了適用于聚合物豎直火蔓延的火焰高度無量綱預測模型。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O631;O643.21

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本文編號：1705579