PCABS树脂及其阻燃制品燃烧性能研究及FDS分析

1、PCABS树脂及其阻燃制品燃烧性能研究及FDS分析 武警学院本科毕业论文(设计) PC/ABS 树脂及其阻燃制品燃烧性能研究及FDS 分析摘 要:本文研究了 PC/ABS树脂(聚碳酸酯和丙烯腈 -丁二烯 -苯乙烯共聚物的共混物)添加磷系阻燃剂 BDP以后的燃烧性能改善情况,利用锥形量热仪分别对 PC/ABS树脂空白样品和添加 BDP阻燃剂以后的阻燃样品进行了燃烧实验,测得了两种材料的热释放速率、有效燃烧热、总烟气释放量、质量损失速率、总释放热和点燃时间等参数,并对数据进行了分析。阻燃样品的热释放速率平均值,有效燃烧热平均值、质量损失速率平均值、总释放热分别降低了30.89%、23.31%、10

2、.1%、29.02%,点燃时间推后 21 s,但 CO产量有所增加。在锥形量热仪实验的根底上,借助 FDS软件对材料的燃烧性能进行了可视化模拟,获得了模拟结果,以smokeview动画形式直观地观察了材料的燃烧行为。综合评价的结果是 BDP阻燃剂是一种性能比较优异的阻燃剂。 目前,主要运用实验方法评价材料的燃烧性能,借助计算机软件评价材料燃烧性能的例子不多,本文采用锥形实验和计算机模拟两种方法评价了材料的燃烧性能,具有一定理论和实用意义。关键词 PC/ABS 树脂; 锥形量热仪; 场模型 FDS; BDP; 阻燃- I - 武警学院本科毕业论文(设计) Study on the Fire Pe

3、rformance of the PC/ABS and the Fire Retardant PC/ABS and the Analysis on them by FDSAbstract: The improvement of combustion performance of PC/ABS after added into the phosphorus-based fire retardant BDP was studied. Fire experiment of the pure PC/ABS and retardant PC/ABS was carried out using the c

4、one calorimeter, and the burning parameters of the two materials such as HRR, EHC, TSR, MLR, THR and TTI were gained. Analysis have been given to these parameters, the results indicate that the average HRR , EHC, MLR and THR of the retardant material respectively reduce by 30.89%、 23.31%、10.1%, 29.0

5、2% and the TTI is put off by 21 s when compared to the pure material, but the output of the CO increases in some extent. On the base of CONE test, fire simulation of the two PC/ABS materials was carry out using the FDS software, and the results of the simulation were successfully gainedThe smokeview

6、 picture was obtained and the burning behavior of the material was directly watched. Comprehensive evaluation is that BDP is a relatively excellent kind of fire retardantAt present, experimental methods are widely used to evaluate the burning performance of materials, but the examples of using compu

7、ter software to appraise the burning capability of materials are few. CONE test and computer simulation method were adopted together in this paper to evaluate the combustion performance of materials, which had some innovation meaning Keywords PC/ABS resin; cone calorimeter; field modal FDS; BDP; fir

8、e retardant- II - 武警学院本科毕业论文(设计) 目 录摘要 I Abstract. II 目录.III1 绪论. 1 1.1 本论文研究的目的及意义 1 1.2 PC/ABS树脂的开展概况及其应用 1 1.3 PC/ABS树脂的阻燃技术2 1.3.1 PC/ABS常用的阻燃剂. 2 1.3.2 BDP阻燃剂介绍. 3 2 实验局部 5 2.1 主要原料和仪器设备. 5 2.1.1 主要原料5 2.1.2 主要设备5 2.2 CONE可以测定的燃烧参数. 7 2.3 实验过程. 8 2.3.1 实验条件8 2.3.2 实验步骤8 2.4 结果与分析 8 2.4.1 CONE的测

9、试结果及分析 8 2.4.2 结果讨论 12 3 利用 FDS对材料的燃烧性能进行模拟分析 13 3.1 引言 13 3.2 FDS软件介绍. 13 3.3 模型的建立. 14 3.4 数据处理说明. 15 3.5 模拟过程15 3.6 结果与讨论. 16 - III - 武警学院本科毕业论文(设计) 3.7 两种方法的比拟 20 4 结论21 参考文献 22 致谢. 24 附录 A:空白样品的模拟编程25 附录 B:阻燃样品的模拟编程 28- IV - 武警学院本科毕业论文(设计) 1 绪论当今世界,科学技术日新月异,各种科学研究领域不断研究出新成果,材料领域更是各国研究的重点,因为各种高性

10、能材料是制造各种精密仪器的根底。材料的性能包括物理机械性能、阻燃性能等,其中阻燃性能是评价材料在火灾中燃烧行为的重要方面之一。 现在世界上很多国家,尤其是一些欧美国家,不但要求阻燃剂要有良好的阻燃效果,更要求其到达良好的环保要求,各种阻燃标准要求得日益严格。因此,近几年来,研究高效、低烟、低毒、无尘的阻燃剂成1为阻燃领域的重要课题 。 本文研究了 PC/ABS 树脂及其阻燃制品的燃烧性能,利用锥形量热仪对材料进行了燃烧实验,获得了实验数据;在分析实验数据的根底上,借助软件工具场模型 FDS 模拟了材料的燃烧行为,直观地观察了材料的燃烧过程,并运用两种方法分析评价了 BDP 的阻燃效果,比拟了各

11、自的优缺点。 1.1 本论文研究的目的及意义 本文研究所选择的原材料为 PC/ABS 树脂及其阻燃制品,是当今被广泛应用的工程材料,市场需求量大;选择的阻燃剂为新型阻燃剂 BDP,具有阻燃效果好、环保性能好等优点,是一种市场前景非常广阔的阻燃剂。因此选择它们做研究,现实指导意义较强。 目前,对于材料的燃烧性能研究大多运用实验方法,借助计算机软件工具分析材料燃烧性能的例子不多。随着计算机模拟软件的不断完善和普及应用,这种方法必将得到进一步的应用。 1.2 PC/ABS 树脂的开展概况及其应用 聚碳酸酯( PC)是一种性能优异的工程塑料,具有突出的冲击韧性、较宽的使用温度范围、良好的电绝缘性和尺寸

12、稳定性等优点,已经在汽车和电子电器工业领域得到了广泛应用。但 PC熔体粘度大、加工成型困难,特别是大型制品容易产生应力开裂,耐化学药品性差,而且价格较高,这2些缺乏使PC的应用受到了一定限制 。ABS树脂是一种性能介于工程塑料和通用塑料之间的材料,它具有良好的耐冲击性和加工流动性,价格也比第 1 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 较廉价,因而得到广泛的应用。但因耐热性能、耐候性能差,机械性能不34够理想而限制了其应用 。 PC/ABS 共混物可以有效地吸取 PC 与 ABS 的优点,表现出良好的冲击强度、挠曲性、刚性、耐热性和较宽的加工温度范围,尤其能明显改善ABS 的耐化学药品

13、性和低温韧性,在 PC/ABS 共混物中, PC 主要奉献高耐热性、较好的韧性和冲击强度以及高强度;ABS 那么能改良共混物的可成型性、表观质量,同时起到降低密度的作用。 20 世纪 60 年代中期,美国博格 ?沃纳( Borg Warner)化学公司首先开发出第一个 PC/ABS共混物,之后国外许多大公司相继开发出了很多5PC/ABS共混物产品,如阻燃PC/ABS、玻璃纤维增强 PC/ABS等 。近五年来,世界PC/ABS共混物的产量每年都以 10%左右的速度增长,其增幅速度在塑料领域中名列前茅。近十年来,为了适应电气行业对材料的特殊要求, PC/ABS共混物的阻燃化研究已经成为人们的关注热

14、点,而且随着人6们环保意识的普遍提高,非卤阻燃 PC/ABS更成为了重中之重 。 PC/ABS树脂被广泛应用在汽车、通讯、电开工具外壳、矿工平安帽、7电器产品等领域 ,而且由于其具有良好的各种性能,可以代替许多合金材料,其应用范围必将进一步扩大。 1.3 PC/ABS 树脂的阻燃技术 1.3.1 PC/ABS常用的阻燃剂 PC/ABS 共混物常用的阻燃剂可以分为卤-锑类、磷酸酯类、磷-卤类等。从环境保护的角度出发,目前磷酸酯类阻燃剂在国外尤其在欧洲应用比拟广泛,但是我国仍以使用卤-锑类复合阻燃剂为主。 溴系阻燃剂由于高效的阻燃效果得到了广泛应用,是世界上产量昀大、阻燃效率昀高的有机阻燃剂之一。

15、在 PC/ABS 共混物使用的阻燃剂中,含溴阻燃剂对 PC/ABS 共混物的阻燃效果昀好,其阻燃作用机理在于能抑制燃烧的链锁反响,但在共混物的成型加工过程中却存在着加工稳定性较差的问题,物料容易发生热分解,导致成型温度区域变窄、制品外观和使用性能下降,而且阻燃后的材料在燃烧时发烟量大,释放大量有毒有害物质,明显降低材料的力学性能,这在一定程度上限制了此类阻燃 PC/ABS的推广应用。 第 2 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 以固相作用为主的阻燃剂尤其是磷酸酯成为 PC/ABS阻燃剂的昀佳选择。磷酸酯类阻燃剂是一类无卤、低烟、低毒的环保型阻燃剂,它与高聚物的相容性好,应用较为广泛

16、。但大多数磷酸酯为液体,分子量小、挥发性大、耐热性低,影响了其阻燃效果和阻燃持久性,而分子量大、磷含量8高、结构对称的缩合双磷酸酯可克服上述缺陷,越来越受到人们的重视 ,BDP就是其中极具代表性的一种无卤芳基磷酸酯。 近年来,随着经济的开展,特别是当今社会提倡可持续开展,人们的环保和平安意识已经有了较大程度的提高,对生态环境和人的生命价值更加重视。因此,阻燃材料的使用范围越来越广泛,对环境的友好性要求越来越高。传统的卤系阻燃 PC/ABS由于其对环境的不友好而使其潜在的危害表现日益明显,在很多行业中的应用已经受到了限制,欧盟 ROHS及WEEE两个指令的公布(自 2006 年 7 月 1 日起

17、施行),更是把传统的卤系9阻燃 PC/ABS的使用范围限制得更小 。阻燃剂的无卤化可以说是今后阻燃剂的开展方向,具有良好的环保性能且阻燃性能优异的磷酸酯类阻燃剂必10将具有更加宽阔的市场前景 。 1.3.2 BDP 阻燃剂介绍 四苯基(双酚-A)二磷酸酯,即 BDP,是目前一种新型无卤有机磷系阻燃剂,主要用于热塑性工程塑料如 PC/ABS共混物、聚乙烯及泡沫聚氨酯中。其具有分子量大、热稳定性强、挥发性较低和阻燃效果好等特点,11已经成为无卤芳香有机磷类阻燃剂的主要产品 。 随着阻燃剂研究的不断深入,磷酸酯阻燃剂正在从单磷酸酯向多聚磷酸酯类过渡,尤其是双磷酸酯齐聚物,具有结构对称、相对分子质量高

18、、12磷含量高等特点,其增塑性、阻燃性、热稳定性均优于普通磷酸酯 ,四苯基(双酚 -A)二磷酸酯(BDP)就是其代表代表产品之一,它在室温状态下是一种无色或淡黄色透明粘性油状液体,具有分子量大( 692)、磷含量高( 9%)、添加量少(一般在 15 20%)、热稳定性好等优点,能够满足日益严格的阻燃标准,符合当今全球生态环境要求。 目前,我国阻燃剂市场上 BDP 的年需求量约在 10 万吨左右,并且以每年 20%的数量递增,如假设再加上台湾地区的需求,市场潜力巨大。但是,由于 BDP 在国内未实现工业化生产,所需产品大局部依赖进口,进口产第 3 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计)

19、品主要是美国阿克苏 ?诺贝尔公司的 Fyrolflex BDP、雅宝公司的 NcendX P-30 和日本大八公司的 CR-741,造成 BDP 进口价格居高不下(约 4 万元人民币 /吨)。因此可以推断,在今后相当长的一段时期内,国内对于阻燃剂 BDP 的需求量仍将持续上涨,且受阻燃剂市场价格整体走高的趋势影响, BDP 产品价格在短期内也不会降低。 第 4 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 2 实验局部2.1 主要原料和仪器设备 2.1.1 主要原料 本文选用的实验样品是自制的 PC/ABS空白样品和添加 BDP的阻燃样品。 空白样品的配方如表 2.1 所示,其编号为 1#。

20、 表 2.1 未阻燃 PC/ABS 样品配方 PC 60 份 ABS 40 份 增韧助剂 5 份 抗冲击改性剂 2 份 阻燃样品的配方如表 2.2 所示,其编号为 2#。 表 2.2 阻燃 PC/ABS 样品配方 PC 60 份 ABS 40 份 增韧助剂 5 份 抗冲击改性剂 2 份 BDP 15 份 2.1.2 主要设备 英国产 FIRE TESTING TECHNOLOGY LIMITED 锥形量热仪。 CONE 由六局部组成:( 1)燃烧室:由截断锥形加热器、点火器、控制电路、挡风罩等构成。入射热流强度可根据不同的试验要求适中选择;样品放在燃烧平台上由点火器点燃,燃烧产物由通风系统排走

21、 ;( 2)通风橱 ;( 3)烟测量系统设备 ;( 4)氧气和气体分析仪 ;( 5)称重天平及试样架 ;( 6)有关的辅助设备。 锥形量热仪的结构简图如图 2.1 所示。第 5 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 图 2.1 锥形量热仪结构简图 锥形量热仪采用氧消耗原理测量材料的热释放速率,所谓氧消耗原理就是:材料燃烧时消耗每一单位的氧气所释放的热量根本上是相同的。建筑业和商业中普遍使用的大多数塑料和其他固体材料都遵循这个规律,并测出这个值为13.1 MJ/kgO 5%。如果将实验中所有的燃烧产物都收集起2来并精确的测出气体的流速和氧气的浓度,那么热释放速率就可以很容易的得到。 锥

22、形量热仪气体取样流程图如图2.2所示。图 2.2 锥形量热仪气体取样流程图 利用锥形量热仪将木材燃烧或分解释放的所有产物收集起来并通过排气管道排出气体经过充分混合后,测出其质量流量和组分。测量时,先测出 O 、CO、CO 的浓度,这样通过计算可得到燃烧过程中消耗的氧气的2 213质量,运用氧消耗原理,即可得出材料燃烧过程中的热释放速率 。 第 6 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 2.2 CONE 可以测定的燃烧参数 做 CONE 实验时可以测得的参数有: ( 1)总释放热(THR),在预置的入射热流强度下,材料从点燃到火2焰熄灭为止所释放热量的总和,单位为 MJ/m 。 THR

23、愈大,说明聚合物材料燃烧时所释放的热量就愈大,即聚合物材料在火灾中的危险性就愈大。 ( 2)热释放速率( HRR),单位面积样品释放热量的速率,单位为2kW/m 。HRR是昀重要的燃烧参数,昀大值为热释放速率峰值( pkHRR)。HRR或 pkHRR愈大,聚合物材料外表的热裂解速度就越快,从而产生更多的挥发性可燃物,加速了火焰的传播,因此聚合物材料在火灾中的危险性就愈大。HRR和 THR结合可更好地评价材料的燃烧性和阻燃性。 ( 3)有效燃烧热( EHC),在某一时刻 t 时,所测得的热释放量与质量损失量之比,以 MJ/kg 为单位。它反映的是可燃性挥发气体在气相火焰中的燃烧性能。 CONE

24、测得的 EHC 是在模拟实际火情的条件下测得,与实际火灾更接近。将 EHC 与 HRR 结合可以研究阻燃剂对聚合物阻燃的机理。 ( 4)烟气毒性参数,CONE提供了样品的比消光面积SEA和总烟气生成量等参数,结果与实际烟释放情况的偏差较小,比消光面积 SEA是一个2 -1动态过程量,以 m /kg为单位,表示为 kV/m, k是消光系数( m ), V是烟3道的体积流速( m /s),m是样品的质量损失速率(kg/s)。毒性参数表现为CO、CO 的生成量,即每单位样品损失的质量所产生 CO、CO 量,单位为2 2kg/kg。 CO生成量大,烟的毒性就愈大。 ( 5)点燃时间( TTI),当使材

25、料外表有发光火焰燃烧时所维持点燃的时间,单位为 s。 TTI 愈长,说明聚合物材料在此条件下愈不易点燃,那么材料的阻燃性就愈好。它是评价聚合物材料阻燃性能的重要指标之一。 ( 6)质量损失速率(MLR),单位为 g/s,测试聚合物材料在一定的受热情况下热裂解速度。可以获得某一定时间下的剩余物含量。 在聚合物材料的燃烧性能和阻燃性能研究领域,及火灾预防和控制领域, CONE 的出现有利地促进了研究和评价工作的进展。一定程度上,CONE 可望代替或局部代替大型燃烧实验,进行阻燃机理等方面的研究工作。 第 7 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 2.3 实验过程 2.3.1 实验条件 2

26、选用锥形量热仪的测试条件为 :在热辐射强度为 35 kW/m 条件下对样品进行燃烧实验。 2.3.2 实验步骤 调试好锥形量热仪,用电子秤分别称出 33.20 g空白样品和阻燃样品,把样品用锡纸包好,放入 1010 cm的方盒中并铺平,铺设厚度为 3 mm,2将试样水平放置于燃烧平台,在 35 kW/m (典型小型火灾辐射强度)热辐射强度下加热,点燃试样,同时启动计算机,开始采集数据,当观察的试样完全燃烧后,停止试验,保存数据。实验数据由锥形量热仪的专用软件和Excel软件进行数据分析和处理。2.4 结果与分析 2.4.1 CONE的测试结果及分析 两种样品的 CONE实验结果如表2.3所示。

27、 表 2.3 PC/ABS 空白样品和阻燃样品的 CONE 实验结果 点燃时 热释放速 有效燃烧 质量损失 总烟气 总释放 CO生成间( TTI) 率平均值 热平均值 速率平均 释放量 热( THR) 量平均-2/s ( HRR) ( EHC) 值( MLR) ( TSR) /MJ?m 值-2 -1 -1 2 -2 -1/kW?m /MJ?kg /g?s /m ?m /kg?kg1# 71 186.55 21.02 0.089 3077.3 61.0 0.0518 2# 92 128.93 16.12 0.080 3027.1 43.3 0.0885 由表 2.3 可以看出,采用 BDP 阻燃

28、的 PC/ABS 与未阻燃的 PC/ABS 相比, HRR 平均值降低了 30.89%, EHC 平均值降低了 23.31%,MLR 平均值降低了 10.1%,TSR 降低了 1.63%,THR 下降了 29.02%,TTI 延长了 21 s。参加 BDP 以后,材料的主要燃烧性能参数都有所下降,点燃时间推后,说明参加 BDP 以后,材料的阻燃性能得到了较好的改善;但是 CO 生成量平均值增加了 41.47%,增加了烟气的毒性。 热释放速率 HRR 是评价材料燃烧性能昀重要的参数,空白样品和阻燃样品在前 5 min 内各时间段的热释放速率平均值如表 2.4 所示。第 8 页 共 30 页 武警

29、学院本科毕业论文(设计) 2表 2.4 各时间区段 HRR平均值 (单位: kW/m )1min 2min 3min 4min 5min 1# 38.2 103.8 147.6 176.5 187.3 2# 17.8 57.7 88.4 110.5 124.2 从表 2.4 中可以清晰地看出 BDP 很好的抑制了材料的热释放速率,在第 1 min,第 2 min,第 3 min,第 4 min 和第 5 min 分别使热释放速率降低了 53.4%,44.4%, 40.1%, 37.4%, 33.7%。 热释放速率随时间变化的曲线图如图 2.3 所示。 3001# HRR2# HRR250200

30、1501005000 100 200 300 400 500 600时间/s图 2.3 PC/ABS空白样品和阻燃样品的 HRR比照图 2图 2.3 中空白样品的 HRR曲线在 270 s到达昀顶峰值 274.16 kW/m ,点燃时间短,热释放速率在 400 s之前明显高于阻燃样品,250320 s内曲2线值在 250 kW/m 以上,从 400 s开始迅速下降。阻燃样品在 405 s时才达2到昀顶峰值 186.01 kW/m ,之后迅速下降,曲线比拟平缓,整个燃烧时间2区段内 HRR在 200 kW/m 以下。图中从 395 s开始阻燃样品的 HHR曲线略高于空白样品,这可能是空白样品已经

31、燃烧殆尽的缘故。由以上分析可知,BDP较大幅度地减小了热释放速率的峰值,使整个时间段的热释放速率整体下降,有效地减少了材料的热释放速率,降低了其火灾危险性。 有效燃烧热( EHC)反映的是可燃性挥发气体在气相火焰中的燃烧性能,是反映材料燃烧性能的重要参数之一,由于 360 s 以后空白样品和阻燃样品的 EHC 曲线波动较大,所以取 360 s 以前的数据进行比照, EHC第 9 页 共 30 页 -2HRR/kW.m武警学院本科毕业论文(设计) 随时间变化的曲线图如图 2.4 所示。 90801# EHC702# EHC60504030201000 100 200 300 400时间/s图 2

32、.4 PC/ABS空白样品和阻燃样品的 EHC比照图 在图2.4中, PC/ABS样品的有效燃烧热EHC曲线峰值较多, 400 s之前阻燃样品的 EHC曲线始终低于未阻燃空白样品的 EHC曲线。说明BDP降低了材料的有效燃烧热,使得材料析出的气体燃烧效率降低。 质量损失速率随时间变化的曲线图如图 2.5所示。 0.181# MLR0.161# MLR0.140.120.10.080.060.040.0200 100 200 300 400 500 600时间/s图 2.5 PC/ABS空白样品和阻燃样品的 MLR比照图 从图 2.5 中可以看出,实验前期,空白样品的质量损失速率 MLR 高于阻

33、燃样品,说明其热裂解速度和燃烧速度快,燃烧猛烈,火势开展快。 第 10 页 共 30 页 -1MLR/g.s -1EHC/MJ.kg武警学院本科毕业论文(设计) 8070 1# THR2# THR60504030201000 100 200 300 400 500 600时间/s图 2.6 PC/ABS空白样品和阻燃样品的 THR比照图 从图 2.6 可看出,整个燃烧过程中,阻燃样品的 THR 曲线低于空白样品的 THR 曲线,说明参加阻燃剂以后,样品放出的热量明显降低。 生成烟气情况是评价材料燃烧性能的重要方面,如果材料燃烧时生成的烟气浓度大,会大大降低环境的能见度,影响人员的平安疏散,对人

34、员的生命平安造成威胁,因此火灾危险性大。烟气释放量随时间变化的曲线图如图 2.7 所示。 35001# TSR30002# TSR250020001500100050000 100 200 300 400 500 600时间/s图 2.7 PC/ABS空白样品和阻燃样品的 TSR比照图 从图 2.7 中可以看出,空白样品的总烟气释放量 TSR 曲线和阻燃样品的 TSR 曲线相差不大,而且阻燃样品的 TSR 曲线略低,说明阻燃剂的添加并不增加总烟气释放量。 PC/ABS 树脂燃烧时产生的毒性气体主要是 CO,其产量随时间变化的曲线图如图 2.8 所示。 第 11 页 共 30 页 2 -2TSR

35、/m .m-2THR/MJ.m武警学院本科毕业论文(设计) 4003501# CO2# CO3002502001501005000 100 200 300 400 500 600时间/s图 2.8 PC/ABS空白样品和阻燃样品的 CO比照图 从图 2.8 中可知,毒性气体 CO 的生成量有所增加,增加了烟气的毒性。 2.4.2 结果讨论 由以上分析可以看出,经 BDP 阻燃处理后的阻燃样品的热释放速率( HRR),有效燃烧热( EHC),质量损失速率( MLR),总释放热( THR)等明显降低,说明 BDP 较好的改善了材料的燃烧性能,降低了其火灾危险性,而且不增加燃烧时的总烟气释放量,虽然

36、阻燃后增加了材料燃烧时的 CO 生成量,但综合其阻燃效果来说,BDP 是一种阻燃性能比拟理想的阻燃剂。第 12 页 共 30 页 CO产量/ppm武警学院本科毕业论文(设计) 3 利用 FDS对材料的燃烧性能进行模拟分析3.1 引言 采用锥形量热仪方法评价材料的燃烧性能,应用比拟广泛而且数据比较接近于实际情况,但它却不能模拟真正的火灾。如果要做真正的火灾燃烧试验的话,即消耗本钱且需要一定的人力物力,而且可重复性比拟差。而利用场模型 FDS 却可以容易地模拟假定条件下的火灾开展过程,让人感受到虚拟火灾的开展变化,并通过配套软件 smokeview 可视化地展示出来,直观的表现出材料的燃烧性能。F

37、DS 还可以模拟复杂空间内的火灾发展和烟气蔓延规律,为建筑的防火设计提供指导。 本章以锥形量热仪测得的实验数据为根底,通过编辑程序,运用场模型 FDS 模拟 PC/ABS 空白样品和阻燃样品材料在假定条件下的燃烧过程,分析其燃烧特性并评价 BDP 的阻燃性能。 3.2 FDS 软件介绍 所谓火灾电脑模拟就是用现有的流体力学、热力学、燃烧学等各种数学模型,在转换成程序语言之后,辅以电脑来模拟火灾成长趋势、燃烧行为或烟气流动扩散等火灾现场可能发生的各种火灾情况,并从中去评估该14设计火灾对人员生命、建筑结构的影响 。 FDS是由美国国家标准局 ANSI( American National Sta

38、ndards Institute)发布的一套火场模拟软件,由美国建筑火灾实验室开发,在火灾科学和工程中获得了广泛的应用。FDS以燃烧学、热力学、流体力学等理论为根底,15能够对火灾过程提供比拟精确的模拟 。该软件主要用于研究烟气流动和热传递现象。对于模拟火场的流场速度和温度场分布趋势有 8090%的准确度,但由于该软件大多是依小型的火场实验数据的交叉比对所开展出来的,所以对于相对大型的火灾所求得的各项火场资料误差性可能也会较大。 该软件采用场模拟方法,引入大涡模拟(LES)概念,主要研究因火灾引起的烟气和热量传输规律,尤其适合于燃烧引起的低速的、热驱动的烟气和热量流动的情形。 FDS 致力于解

39、决防火工程中的实际火灾问题,同时为研究根底火灾动第 13 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 力学和燃烧学提供了工具。FDS 可以用来模拟以下等情形:( 1)火灾产生的以低速传播的热量和燃烧产物; ( 2)气体和固体壁面之间的辐射和对流传热; ( 3)材料热解; ( 4)火焰传播和火势开展; ( 5)喷水装置,热感器和烟感器的反响; ( 6)喷水装置喷水和水压; 大多数空间数据可通过 smokeview 软件可视化地显示,这种软件专门为分析 FDS 的结果数据而开发。 Smokeview 软件的可视化效果中包括了微粒流动轨迹动画,计算出来的变化的气体薄层轮廓动画,以及外表数据动画。

40、该软件还可显示出在固定时间的任何地点的静态数据形成的轮廓和矢量图形。 3.3 模型的建立 本章模拟材料的燃烧性能,无需设置复杂模型,为了方便直观地观察模拟结果,模型设置为 754 m 的房间,前方开宽 1.2 m,高 2.3 m 的门,前方开 2.51 m 的窗户。房间内设 6 个 0.830.4 m 的物体,它们的燃烧过程即代表 PC/ABS的燃烧过程,房间四面墙和顶棚的设置默认为混凝土。 房间设置如图 3.1 所示。图 3.1 模拟所采用的模型 第 14 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 3.4 数据处理说明 ( 1)CONE 实验中的材料非常有限,热释放速率在 360 s

41、以后迅速下降。实际火灾中的可燃物数量远远大于试验中的可燃物量,热释放速率曲线和试验有很大不同,所以本章只取 360 s 以前的数据用于模拟。 ( 2)FDS 模拟过程中出现火焰的时间和 CONE 实验中出现火焰时间相比,大约推迟了 30 s,造成这种现象的原因可能有两个:一是 FDS 模拟中的环境温度和做 CONE 实验时的环境温度有差异,FDS 中的默认环境温度为 20 ,而本文做 CONE 实验时日期为 4 月 28 日,天气晴朗,环境温度大于 20 ;二是做 CONE 实验时材料刚出现火焰时是小范围燃烧,热释放速率( HRR)较小,把此时的 HRR 值输入 FDS 不会出现火焰。因此,在

42、处理数据用于模拟时,把 CONE 实验中的 HRR 数据前 30 s 局部去掉,取 31 s 为开始状态。 ( 3)本文以下局部讨论热释放速率、室内温度分布情况、烟气情况和CO 生成量,数据经处理后,模拟时间为 330 s,即 5.5 min。 3.5 模拟过程FDS 大多用于模拟研究火灾驱动流体流动的情况,如火灾驱动热烟气的流动规律等。本文利用 FDS 模拟材料的燃烧过程,输入的数据是锥形量热仪实验得到的燃烧数据。 热释放速率是表征材料燃烧性能昀重要 的参数,为了反映出锥形量热仪实验中的材料的燃烧过程,用 RAMP_Q 语句输入 CONE 实验中的 HRR定义火焰来反映材料的燃烧过程,用 R

43、EAC 语句定义反响物为 PC/ABS,把模型中的物体边界全部定义为火焰。 PC/ABS 燃烧时释放的毒性气体主要是 CO,因此,模拟 CO 产量是重要一方面。在 REAC行用 CO_YIELD定义 CO产量,这个参数可以在 CONE实验的实验数据中得到。 在 FDS 中用 SOOT_YIELD 来定义烟气释放量,SOOT_YIELD 表示燃料质量中转化为烟粒子的质量百分数,默认值为 0.01。CONE 实验的输出数据中没有直接给出这个参数,由它推出 SOOT_YIELD 比拟困难,因此,本文模拟中 SOOT_YIELD 采用默认值。 第 15 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计)

44、3.6 结果与讨论 模拟过程中在不同的时间段截取了局部图片,从中可清楚直观地看出空白样品和阻燃样品的燃烧性能差异,左面为空白样品的图片,右面为阻燃样品的图片。 火焰的开展情况可以昀直观地 说明热释放速率的大小,两种样品在120.8 s和270.3 s时的火焰开展情况如图 3.23.3所示。图 3.2 120.8 s 时的火焰开展情况图 3.3 270.3 s 时的火焰开展情况 由图 3.2 可以看出空白样品火势开展比阻燃样品迅速,材料外表已经全部着火,而阻燃样品只是局部出现微小火焰。图 3.3 中空白样品的火势开展猛烈,而阻燃样品火势开展平缓,说明阻燃剂较好的抑制了火势的发第 16 页 共 3

45、0 页 武警学院本科毕业论文(设计) 展,有效地降低了材料的热释放速率。 室内的温度分布可以很好的反响出燃烧的猛烈情况,一定程度上也反映了热释放速率的大小,室内温度高那么火灾危险性大。空白样品和阻燃样品的室内温度分布图如图 3.43.5 所示。 图 3.4 132 s 时的室内温度分布情况 图 3.5 264 s 时的室内温度分布情况 图 3.4 中,空白样品房间内的温度大约在 340500 之间,昀高温度为 760 ;阻燃样品房间内的温度分布大约在 115300 之间,昀高温度为 435 。图 3.5 中,空白样品房间内的温度大约在 455715 之间,昀高温度为 985 ;阻燃样品房间内的

46、温度分布大约在 310550 之间,昀高温度为 870 。说明添加阻燃剂后,可大大降低室内的温度分布,从而降低材料的火灾危险性。 第 17 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 第 100 s、 120.8 s 和 250.5 s 时的室内烟气情况如图 3.63.8 所示。图 3.6 100 s 时的室内烟气分布 图 3.7 120.8 s 时的室内烟气分布 图 3.8 250.5 s 时的室内烟气分布 第 18 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 从图 3.6 和 3.7 中可看出,添加 BDP 阻燃剂以后,材料的烟气释放量有所降低,在 100 s 时阻燃样品房间的烟气

47、浓度明显低于空白样品房间的烟气浓度,超过 120 s 以后二者的烟气释放量根本持平,在 250.5 s 时两种材料的房间都已充满了烟气(如图 3.8 所示)。 100 s 时的室内能见度如图 3.9 所示。 图 3.9 100 s 时的室内能见度 由图 3.9 可看出,在 100 s 时空白样品房间的能见距离仅为 4.57.5 m,而阻燃样品房间内的能见距离为 1732 m。 PC/ABS 树脂燃烧产生的主要毒性气体是 CO,CO 浓度分布情况如图3.10 所示。 图 3.10 280.8 s 时的室内 CO 分布情况 由图 3.10 可看出,空白样品房间内的 CO 浓度大约在 2800350

48、0 ppm第 19 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 之间;阻燃样品房间内的 CO 浓度大约在 32004000 ppm 之间,峰值到达4000 ppm, CO 浓度高于空白样品房间内的 CO 浓度。说明添加阻燃剂以后,增加了材料燃烧的烟气毒性。 由 FDS 模拟结果分析可知,添加 BDP 阻燃剂降低了 PC/ABS 的热释放速率,减小了材料的烟气释放量,但增加了毒性气体 CO 的产量。 3.7 两种方法的比拟 锥形量热仪被广泛用于测试材料的燃烧性能,运用它可以精确的测出各种燃烧参数,实验结果比拟准确而且自动输出各种参数,可以生成材料的各种参数随时间变化的曲线图,尤其适用于研究同

49、一材料添加不同阻燃剂后的燃烧性能改善情况。 FDS 昀大的优点是可以可视化的模拟材 料的燃烧过程,模拟假定场景下的火灾开展过程,让人身临其境地感受到虚拟火灾的开展情况,而且可以根据不同的需要设定不同的场景,可以为实际火灾情况下的平安疏散和制定灭火预案提供指导。第 20 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 4 结论由以上分析讨论可得出以下结论: ( 1) 由锥形量热仪实验可知,经 BDP 阻燃以后的 PC/ABS 树脂的燃烧性能得到很大改善,具体表现在热释放速率显著降低,平均降低了30.89%;有效燃烧热平均值和总释放热分别降低了 23.31%和 29.02%;点燃时间延迟了 21

50、s。 ( 2) BDP 阻燃剂没有增加 PC/ABS 的总烟气释放量,使得材料燃烧时的烟气浓度有所降低;但 CO 气体释放量有所增加,平均增加了 41.47%,加重了烟气的毒性。 ( 3) 运用 FDS 软件成功的模拟出了两种材料的燃烧行为,并得到了模拟结果,直观地观察了材料的燃烧过程。模拟结果显示:阻燃后材料的火灾开展速度明显降低,且火势低缓;阻燃材料的室内温度明显低于空白样品的室内温度;阻燃后材料的烟气释放量有所降低,但 CO 气体的生成量增加。 ( 4) 综合以上分析,虽然阻燃后材料燃烧时的 CO 气体产量有所增加,但对于材料整体阻燃性能的提高来说,利大于弊。总体来说,BDP是一种阻燃性

51、能比拟理想的阻燃剂。 第 21 页 共 30 页 武警学院本科毕业论文(设计) 参考文献1 T. KASHIWAGI, J. W. GILMAN, M. R. NYDEN. New Flame Retardant AdditivesC. European Meeting On Fire Retardancy Of Polymeric Materials, 1997, 4-82 周琨生 , 兰浩. PC/ABS合金的研究进展及其在汽车上的应用 J. 汽车工艺与材料 , 200412: 21-273 杨红华PC/ABS合金研究进展 J. 化学工程师, 200601: 30-324 SR. OWEN, J. F. HARPER. Mechanical, microscopical and fire retardant studies of ABS polymersJ. Polymer Degradation and Stability, 199964: 449-4555 戈明亮阻燃 PC/ABS 合金的研究与应用进展 J. 塑料科技, 2005, 126: 57-616 PETER CARTY, STEWA