典型非碳化聚合物材料熱解及逆流火蔓延實(shí)驗(yàn)和理論研究.pdf

1、固體可燃物熱解及火蔓延是火災(zāi)初始和發(fā)展階段的重要分過程，決定著后續(xù)火災(zāi)的發(fā)展，因此一直是國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者重點(diǎn)研究的對(duì)象。熱解又是火蔓延的子過程，兩者有著密切的關(guān)系。非碳化聚合物材料作為現(xiàn)代建筑中廣泛應(yīng)用的裝飾材料，其在火災(zāi)中表現(xiàn)出的諸多特殊蔓延行為越來(lái)越多地受到研究者的關(guān)注。在外部熱流作用下，非碳化聚合物材料受熱后發(fā)生熱解反應(yīng)，熱解產(chǎn)生的可燃?xì)馔ㄟ^形成氣泡等方式從材料內(nèi)部傳輸?shù)讲牧媳砻孢M(jìn)而析出到外界空氣中。熱解釋放出可燃性氣體與空氣混合形

2、成可燃預(yù)混氣，經(jīng)點(diǎn)燃后會(huì)在材料表面發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)形成火焰。燃燒產(chǎn)生的熱量一部分用來(lái)加熱燃燒產(chǎn)物，一部分通過輻射散失到環(huán)境中，剩下的一部分則通過對(duì)流、輻射和熱傳導(dǎo)的方式反饋回材料表面形成反饋熱流而對(duì)未燃材料進(jìn)行預(yù)加熱，當(dāng)未燃材料被加熱后發(fā)生熱解又進(jìn)一步釋放出熱解可燃?xì)庖跃S持氣相燃燒，如此不斷的循環(huán)進(jìn)而形成材料表面持續(xù)的火蔓延過程。與傳統(tǒng)的碳化材料（如紙張、木材等）不同，非碳化材料在熱解的過程中基本沒有碳層形成，不會(huì)阻礙外部熱流對(duì)材料的預(yù)

3、加熱，因此其熱解速率要遠(yuǎn)大于碳化材料的熱解。此外，材料的熔融和流動(dòng)特性也會(huì)增加材料的蔓延速率。
　　本文首先在錐型量熱儀氮?dú)鈿夥障聦?duì)PMMA(Poly(methyl methacrylate))、ABS(Poly(acrylonitrile butadiene styrene))和HIPS(High Impact Polystyren)三種典型非碳化聚合物材料進(jìn)行了不同熱流下的熱解實(shí)驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)非碳化聚合物材料有限尺寸自然

4、條件下逆流火蔓延過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，其中包括材料厚度、寬度、環(huán)境壓力和三維效應(yīng)等參數(shù)對(duì)逆流火蔓延過程的影響。具體內(nèi)容概括如下:
　　熱解方面，在低、中、高三種熱流下對(duì)PMMA、ABS和HIPS的一維熱解過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)比熱電偶和紅外熱像儀材料背面溫度的測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了非接觸測(cè)溫方法的可行性。利用實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的材料背面溫度和質(zhì)量損失速率，并結(jié)合Stanislav I.Stoliarov的ThermoKin模型得到材料的

5、導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的分段線性關(guān)系。進(jìn)而在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)考慮材料表面熱流吸收方式和熱解化學(xué)反應(yīng)的非碳化聚合物材料的一維熱解模型，模型對(duì)文獻(xiàn)中廣泛采用的深度吸收和表面吸收這兩種假設(shè)分別進(jìn)行了研究和對(duì)比，結(jié)果表明不同吸收方式對(duì)材料表面溫度和熱穿透層內(nèi)溫度分布有較大影響，這種不同在空氣氣氛下體現(xiàn)在著火時(shí)間的明顯差異。而在宏觀熱解方面，即不考慮材料內(nèi)部熱解細(xì)節(jié)的情況下，兩者的模擬結(jié)果均在可接受的范圍之內(nèi)。通過對(duì)比失重速率和背面溫度的實(shí)驗(yàn)和模擬

6、結(jié)果驗(yàn)證了此一維熱解模型的正確性。
　　火蔓延方面，在熱解研究的基礎(chǔ)上對(duì)自然對(duì)流和不同環(huán)境壓力下的逆流火蔓延過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析。結(jié)果表明在材料寬度較小的情況下，逆流火蔓延速率隨厚度的增大而增加，這與二維無(wú)限寬條件下的結(jié)論有較大差別。主要原因是有限尺寸條件下，材料兩側(cè)的燃燒過程加速了蔓延速率。在厚度固定情況下，火蔓延速率反比于材料寬度。在合肥、西寧和拉薩不同環(huán)境壓力條件下，失重速率、火焰高度和火蔓延速率均隨壓力的增大而增大。在