地鐵列車車廂典型內裝材料熱解及燃燒特性研究.pdf

1、由于地鐵列車的快捷、方便、舒適、環(huán)保及節(jié)能等優(yōu)點，其在有效解決城市的交通擁堵問題上扮演了越來越重要的角色。然而由于地鐵列車常年在地下或隧道中運行，一旦遇到火災，車上大量的旅客的逃生及救援相當困難，從而造成嚴重的人員傷亡、財產損失及環(huán)境污染。因此地鐵列車的火災安全引起了越來越多的關注。而了解不同外部條件下的地鐵列車車廂內裝材料的熱解及燃燒特性是地鐵列車火災安全非常重要的組成部分，而且可以為地下軌道交通運輸系統(tǒng)的消防安全設計、滅火及救援提供

2、必要的基礎數(shù)據及理論支撐。
　　地鐵列車車廂內部的固定可燃物主要由地板布及座椅組成。典型的地鐵列車車廂內裝材料包括商用的阻燃三元乙丙橡膠地板布及酚醛樹脂玻璃鋼座椅材料被用于本文的研究。本文探究了外部條件對上述兩種材料的熱解特性、熱解過程中的反應機理及揮發(fā)性產物以及燃燒特性的影響，揭示了試樣厚度對酚醛樹脂玻璃鋼燃燒特性的影響，得到了上述兩種材料的動力學參數(shù)及燃燒特性參數(shù)。本文的主要工作及結論歸納如下:
　　揭示了升溫速率、溫度

3、及環(huán)境氣氛對阻燃三元乙丙橡膠及酚醛樹臘玻璃鋼熱解特性的影響:(1)隨著升溫速率的升高，熱重曲線會向高溫區(qū)移動，總質量損失基本保持不變。對于阻燃三元乙丙橡膠而言，其熱失重峰的數(shù)目可能會隨著升溫速率的增加而增多。其在氮氣氣氛下的最大熱失重速率隨著升溫速率的增大而降低，而其在空氣氣氛下的最大熱失重速率與升溫速率之間并沒有明確的變化規(guī)律。對于酚醛樹脂玻璃鋼而言，隨著升溫速率的增大，其在氮氣氣氛下的最大熱失重速率基本保持不變，而其在空氣氣氛下的最

4、大熱失重速率變小。阻燃三元乙丙橡膠的熱解過程主要分為三個階段，而酚醛樹脂玻璃鋼的熱解過程主要分為兩個階段。(2)在等溫條件下，阻燃三元乙丙橡膠的總質量損失隨著溫度的升高而增大。氮氣氣氛下的酚醛樹脂玻璃鋼的總質量損失大致隨著溫度的升高而增大，然而空氣氣氛下的酚醛樹脂玻璃鋼的總質量損失在溫度區(qū)間403-433 K內隨著溫度的增加而減小，在溫度區(qū)間713-863 K內隨著溫度的增加而基本保持不變。(3)與氮氣氣氛下試樣的熱解相比，空氣氣氛下試

5、樣的熱解會被加快。對于阻燃三元乙丙橡膠而言，當其處于非等溫條件時，空氣氣氛下出現(xiàn)了一個新的熱失重峰，該峰位于氮氣氣氛下最后一個熱失重峰之后。此外，其在空氣氣氛下的最大及平均熱失重速率、總質量損失會比氮氣氣氛下的要小?；诜堑葴卦囼灲Y果得到的氮氣氣氛下的平均活化能及基于等溫試驗結果得到的氮氣氣氛下的全局活化能均比空氣氣氛下的要高。對于酚醛樹脂玻璃鋼而言，在空氣氣氛下的非等溫實驗中，當試樣處于溫度區(qū)間450-600 K時，其質量隨溫度的升高

6、而增加。此外，在空氣氣氛下的等溫實驗中，當試樣處于溫度區(qū)間403-433 K時，其質量也隨時間的推移而出現(xiàn)增加的情況。但是上述的酚醛樹脂玻璃鋼的質量隨著溫度增大而增加的現(xiàn)象并沒有出現(xiàn)在氮氣氣氛情形當中。除此之外，其在空氣氣氛下的最大及平均熱失重速率、總質量損失會比氮氣氣氛下的要大?；诜堑葴卦囼灲Y果得到的氮氣氣氛下的平均活化能比空氣氣氛下的要高，然而基于等溫實驗結果得到的氮氣氣氛下的全局活化能比空氣氣氛下的要低。
　　分析了不同環(huán)

7、境氣氛下的阻燃三元乙丙橡膠及酚醛樹脂玻璃鋼熱解過程當中的反應機理及揮發(fā)性產物:(1)對于阻燃三元乙丙橡膠而言，氫氧化鋁、氫氧化鎂及三元乙丙橡膠的分解主要導致了其三個熱失重階段的出現(xiàn)。氫氧化鋁在惰性及含氧氣氛下的分解區(qū)間分別為500-673 K及500-653 K。氫氧化鎂在惰性及含氧氣氛下的分解區(qū)間分別為500-753 K及500-703 K。氫氧化鋁及氫氧化鎂的分解產生了大量的水。在惰性及含氧氣氛下，少量的脂肪烴小分子及烷基苯分別在溫

8、度區(qū)間500-700 K及500-680K內逸出，可能是由于三元乙丙橡膠上的支鏈從主鏈上斷開及試樣中的其他有機物分解所造成的。在惰性及含氧氣氛下的溫度分別超過700 K及680 K時，隨著三元乙丙橡膠主鏈上的化學鍵發(fā)生斷裂及試樣中其他有機物的進一步分解，大量的碳氫化合物分子逸出。與此同時，在惰性及含氧氣氛下的溫度分別超過730 K及600 K時，試樣的分解產生了大量的二氧化碳。在含氧氣氛下的溫度超過730 K時，大量的一氧化碳逸出，而惰

9、性氣氛下并沒有檢測到一氧化碳的產生。在惰性及含氧氣氛下的溫度分別超過700 K及650 K時，有毒氣體如氟化氫、甲醛、氯化氫、甲酸、二氧化硫、二硫化碳、溴化氫、苯胺等被檢測到。由于一氧化碳及氰化氫的劇毒性，需要重點關注含氧氣氛下的這兩種氣體的產生。(2)對于酚醛樹脂玻璃鋼而言，苯酚及其衍生物之間發(fā)生的交聯(lián)作用以及交聯(lián)作用的斷裂主要導致了其兩個熱失重階段的出現(xiàn)。惰性及含氧氣氛下的第一個熱失重階段對應的溫度區(qū)間分別為400-638 K及40

10、0-600 K。在第一個熱失重階段，大量的雙酚化合物及其衍生物逸出。小分子如氫氣、甲烷、水蒸氣、乙炔、乙烯、甲醛、甲醇、二氧化碳、一氧化碳、甲酸、丁烷、甲酚等被檢測到。惰性及含氧氣氛下的第二個熱失重階段對應的溫度區(qū)間分別為638-1100 K及600-900 K。在第二個熱失重階段，酚醛樹脂玻璃鋼的主鏈發(fā)生斷裂，大量的苯、苯酚及其衍生物如甲苯、甲酚、二甲苯酚等被檢測到。由于酚醛樹脂玻璃鋼主鏈上的羥甲基及羥基的脫去，少量的水逸出。除此之外

11、，甲酸、苯胺、二氧化碳及一氧化碳也被檢測到。在第二個熱失重階段產生的二氧化碳及一氧化碳的量比第一個熱失重階段產生的二氧化碳及一氧化碳的量要多。值得注意的是:在含氧氣氛下檢測到了二氧化硫的逸出，然而在惰性氣氛下并沒有檢測到二氧化硫的產生。
　　揭示了外加熱輻射通量對阻燃三元乙丙橡膠及酚醛樹脂玻璃鋼燃燒特性的影響，分析了試樣厚度對酚醛樹脂玻璃鋼燃燒特性的影響:(1)對于阻燃三元乙丙橡膠而言，根據外加熱輻射通量的不同，可將其熱分解行為分

12、成三個區(qū)域:(a)區(qū)域1（外加熱輻射通量≤35 kW/m2）:產生的炭層基本未破裂;(b)區(qū)域2（35 kW/m2＜外加熱輻射通量≤45 kW/m2）:產生的炭層部分破裂;(c)區(qū)域3（外加熱輻射通量＞45 kW/m2）:產生的炭層完全破裂。處于區(qū)域2及3的試樣的熱分解過程可分為6個階段:點燃前的初級分解階段（階段Ⅰ）、點燃后的加速分解階段（階段Ⅱ）、產生大量炭層的分解減弱階段（階段Ⅲ）、炭層破裂后的進一步分解階段（階段Ⅳ）、產生少量炭

13、層的第二次分解減弱階段（階段Ⅴ）及無焰氧化階段（階段Ⅵ）。然而處于區(qū)域1的試樣的熱分解過程中僅僅存在4個階段（其中階段Ⅳ及Ⅴ消失）。當外加熱輻射通量大于35 kW/m2時，熱釋放速率(HRR)曲線上出現(xiàn)了兩個峰值，并且在兩個峰之間出現(xiàn)了一個準穩(wěn)態(tài)階段，同時有效燃燒熱(EHC)曲線上也出現(xiàn)了兩個峰值，而且EHC曲線上的第二個峰值大于第一個峰值。變換的點燃時間、質量損失速率(MLR)的峰值和平均值、HRR的峰值和平均值、準穩(wěn)態(tài)階段的HRR以

14、及火災增長系數(shù)(FGI)都隨著外加熱輻射通量的增加而線性增加。當外加熱輻射通量從25kW/m2升高到50 kW/m2時，總釋熱量線性增大。當外加熱輻射通量處于50、55、60和65 kW/m2時，總釋熱量基本保持不變。熱穿透厚度隨密度與外加熱輻射通量的比值的增大而線性增大。(2)對于酚醛樹脂玻璃鋼而言，其熱分解過程同樣可分為6個階段:點燃前的初級分解階段（階段Ⅰ）、點燃后的加速分解階段（階段Ⅱ）、產生大量炭層的分解減弱階段（階段Ⅲ）、炭

15、層破裂后的進一步分解階段（階段Ⅳ）、產生少量炭層的第二次分解減弱階段（階段Ⅴ）及無焰氧化階段（階段Ⅵ）。點燃時間隨著試樣厚度的增加而增大。隨著外加熱輻射通量的增加，不同厚度的試樣的點燃時間的差異縮小。隨著試樣厚度的增加，質量損失系數(shù)減小，然而平均MLR增大。MLR曲線上出現(xiàn)了兩個峰值。3mm厚的試樣的平均HRR大于5mm厚的試樣的平均HRR，8mm厚的試樣的平均HRR在這三者當中是最大的。隨著試樣厚度的增大，總釋熱量也隨之增加。隨著外加

16、熱輻射通量的增大，變換的點燃時間、MLR的峰值和平均值、HRR的最大值和平均值及FGI都隨之線性增加。隨著密度和外加熱輻射通量比值的增加，熱穿透厚度也隨之線性增大。
　　獲得并驗證了阻燃三元乙丙橡膠及酚醛樹脂玻璃鋼的燃燒特性參數(shù):基于錐形量熱儀特征參數(shù)與外加熱輻射通量之間的關系，并結合理論分析，推理得到了阻燃三元乙丙橡膠及酚醛樹脂玻璃鋼的燃燒特性參數(shù)，包括臨界熱輻射通量、最小熱輻射通量、點燃溫度、汽化潛熱及燃燒熱，并對其正確性進行