典型热塑性材料火灾行为中融流燃烧过程的实验研究

摘要

热塑性材料由于具有加工方便、价格低廉、防水、防腐蚀等优点，被广泛应用于家具、室内装饰及建筑保温等领域。热塑性材料由于其特殊的物理化学性质，受热易软化熔融并产生流动，从而为其火灾防治带来了新问题。对于壁面热塑材料着火的情况，流动性使其聚集在地面上形成油池火，并与壁面火相互耦合促进，极大的提高了其火灾危害性。
　　热塑性材料的特殊火灾行为引起了国内外学者的广泛关注，这种特殊的燃烧行为由多个复杂的过程耦合而成，包括壁面燃烧过程、油池流淌燃烧过程以及两者在传热和传质方面的相互作用过程。目前相关的研究还停留在复杂行为的综合表现方面，对于热塑性材料复杂燃烧行为中多个耦合的过程，缺乏深入的研究。因此本文的目标是自主设计并搭建实验平台对热塑性材料的耦合燃烧行为中的单一过程进行研究，并研究真实尺度下材料的热解机理及过程，深入理解热塑性材料的复杂燃烧行为。本文根据实际情况选取了三种常见的热塑性材料聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)作为研究对象。
　　热塑材料自身的物化性质决定了其特殊的火灾行为，因此为了理解热塑材料在火灾中的行为变化，首先需要理解材料的热解过程。热重实验平台是常用的手段，但是热重实验研究过程中，材料尺度很小，表现出均一的性质，和真实火灾中的情形相差很大，因此本文设计并搭建了真实尺度热塑材料熔融实验平台，对材料的热解动力学行为进行深入研究。实验结果显示，该平台可以很好的体现出受热情况下材料内部的温升特性，表明小尺度实验在再现真实尺度情况下热灾害行为的局限性。通过对质量和温度特性的分析可以看出，热解过程可以分为三个阶段:初期加热阶段、融化主导阶段以及气化主导阶段。热解释放的气态产物直接补充了燃烧的原料，而融化和热解导致的液态产物则增加了液体流淌蔓延的范围。材料在热解过程中的火灾危害性是多个因素综合影响的结果。对于热解动力学的研究也表明了实验尺度的局限性。本研究有助于深入理解和分析材料在火灾过程中熔融滴落流淌的机理和过程，为后面的实验平台设计提供理论基础。
　　为了确定火灾中不同过程对燃烧的影响，本文搭建了热塑板材火蔓延实验平台，选取代表性材料PP，定量研究了板材悬空条件下的火蔓延过程，并考虑了外加辐射以及板材宽度对燃烧的影响。通过对不同工况下质量特性的分析，确定了不同外界条件下，热塑材料特殊火灾行为不同过程的相对危害性。实验结果表明，在板材火蔓延过程中，流淌燃烧的油池火过程的影响及危害性最大。基于本实验平台的研究结果，考虑设计实验平台，研究滴落油池火的流淌燃烧行为。
　　基于热塑材料熔融实验平台对材料热解机理的理解，以及火蔓延平台对溢流油池火危害性的分析，设计并搭建了熔滴流淌燃烧实验平台，对热塑材料复杂燃烧过程中的滴落油池火的流淌燃烧行为进行研究。该实验平台实现了高温液态热塑性材料的持续滴落，从而研究滴落形成的溢流油池的产生、发展及蔓延燃烧过程。实验结果表明溢流油池燃烧行为受材料自身性质的影响，不同材料表现出不同的行为特性。而在外界的影响中，最主要的就是底板材料。因此本文利用热塑材料熔滴流淌实验平台，研究了液态热塑性材料连续滴落情况下，不同底板材料对油池火发展、蔓延燃烧行为的影响。揭示了底板对溢流油池影响的两个主要方面——油池燃烧和溢流蔓延，且相互之间的影响较小，分析并确定了不同因素影响下的综合作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 热塑性材料火灾危险性

1．1．2 典型热塑性材料

1．2 热塑性材料火灾特性研究现状

1．2．1 材料热解性能研究

1．2．2 大尺寸实验研究

1．3 研究目标及思路

1．4 论文章节安排

参考文献

第2章 实验平台设计

2．1 热塑材料熔融实验平台

2．1．1 设计思路及内容

2．1．2 测量及数据采集系统

2．2 热塑板材火蔓延实验平台

2．2．1 设计思路及内容

2．2．2 测量及数据采集系统

2．3 热塑材料熔滴流淌燃烧实验平台

2．3．1 设计思路及内容

2．3．2 测量及数据采集系统

2．4 本章小结

参考文献

第3章 热解性能研究

3．1 引言

3．2 实验工况

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 温度特性

3．3．2 热失重特性

3．3．3 热解理论分析

3．4 本章小结

参考文献

第4章 板材火蔓延实验研究

4．1．引言

4．2．实验工况

4．3 向上火蔓延

4．3．1 典型蔓延现象

4．3．2 质量变化特性

4．3．3 板材宽度的影响

4．3．4 外加辐射的影响

4．4 向下火蔓延

4．4．1 典型蔓延现象

4．4．2 板材宽度的影响

4．4．3 外加辐射的影响

4．5 溢流油池与板材燃烧的危害性比较

4．6 本章小结

参考文献

第5章 熔滴流淌燃烧实验研究

5．1．引言

5．2．实验工况

5．3．实验结果分析

5．3．1 典型实验现象

5．3．2 滴落及燃烧速率

5．3．3 蔓延速率及温度变化

5．3．4 热辐射

5．4 本章小结

参考文献

第6章 底板材料影响融流油池火研究

6．1 不同底板材料物性简介

6．2 瓷砖底板对融流燃烧的影响

6．2．1 融流燃烧过程

6．2．2 燃烧速率

6．2．3 温度及蔓延速率

6．2．4 辐射数据

6．3 实木底板对融流燃烧的影响

6．3．1 融流燃烧过程

6．3．2 燃烧速率

6．3．3 温度及蔓延速率

6．3．4 辐射数据

6．4 强木底板对融流燃烧的影响

6．4．1 融流燃烧过程

6．4．2 燃烧速率

6．4．3 温度及蔓延速率

6．4．4 辐射数据

6．5 底板材料对融流燃烧的影响

6．6 本章小结

参考文献

第7章 结论及展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 研究展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果