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聚合物宏观燃烧的5个阶段
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聚合物宏观燃烧的5个阶段

2024-10-16 11:12
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塑料,涂料,弹性体,橡胶等的聚合物宏观燃烧过程对次磷酸铝等无卤阻燃剂的开发具有重要意义。宏观燃烧过程与微观不同,宏观燃烧过程必须考虑包括填料及发泡气体在内的聚合物材料。宏观燃烧过程通常分为加热、分解、着火、燃烧和火焰传播五个阶段。


1,加热阶段

外部对材料加热,材料温度逐渐升高。加热方式可通过来自火焰的辐射及对流给热,也可以是来自灼热气体的传导和对流给热,还可以是固体热源的传导给热等。升温速度除取决于供热速度、温度差外,还与材料的比热容、热导率、热导及其他变化的潜热有关。


2,分解阶段

高聚物升温到分解温度,将释放出下述分解产物:

①可燃性气体,如甲烷、乙烷、乙烯、甲醛、丙酮和一氧化碳等;

②不燃性气体,如二氧化碳卤化氢、水蒸气等;

③液体,如部分分解高聚物和高相对分子质量的有机化合物;

④固体,如碳化物等;

⑤固体颗粒,如悬浮于空气中由高聚物的碎片形成的烟尘。因为着火和火焰一般发生在气相里,所以,如果高聚物分解时,不产生可燃气体就会有效防止燃烧。但由于绝大多数高聚物都会产生可燃性气体,所以采用这种方法防止燃烧是不现实的,也是不可能的。从抑制燃烧角度看,生成不然性气体是有利的,但无论放出任何气体,都会使系统发生膨胀,使表面积增加,从而使系统有更多的表面与高温空气接触。而且,不燃气体常常具有毒性和腐蚀性。液体产物虽不像气体那样,但也对燃烧产生一定影响。因为液体蒸发为气体需要潜热使系统温度降低,导致液体的可燃性低于气体,但高聚物分解产生的高温液体有可能加热其他物质而发生状态改变,由固态变为液态或由液态变为气态,从而促进燃烧。高聚物分解形成的固体残余物(即碳化物)有利于保持高聚物结构的整体性,并可保护邻近的高分子不再分解,阻碍可燃性气体与空气的混合,在防止燃烧方面起到一定作用。

高聚物分解形成的碎片可从高聚物中逸出,进入流动的气相中则成为烟尘,如进入火焰中则被灼烧。影响宏观的燃烧过程的重要因素是:

①高聚物的起始分解温度(即发生分解的最低温度)。当高聚物表面承受高热时,对比热容和热导率相同的两个高聚物,其分解程度与起始分解温度有关。

②分解热(即分解时的热效应)。放热可加剧分解,吸热可抑制分解。

③高聚物的分解模式,以及分解形成产物的物态、相态、性能和各种产物的相对含量。


3,着火阶段

可燃性气体在有足够氧或氧化剂及外部引燃源条件下,则有可能被引燃,也就是燃烧的开始。可燃气体的温度、组成和点火源是着火的必要条件。影响着火的高聚物特性是:

①材料的闪点,即高聚物受热分解成的可燃性气体可被火焰或火花点燃的温度,通常它高于起始分解温度。

②材料的自燃点,即高聚物本身的化学反应可导致其自燃的温度,它一般高于闪点(但也有例外)。高聚物的自燃点随环境中氧的浓度增高而降低。

③极限浓度,即维持燃烧所需要的最低氧浓度。通常认为,在空气的环境中(氧指数=21%)不能连续燃烧的物质是“自熄性”的,不能点燃的物质是不着火的。但高聚物的“自熄性”和“不着火”的条件与其受热情况有关。


4,燃烧阶段

高聚物燃烧时放出热量,使固相、液相和气相物质的温度升高使气体膨胀,增大通过对流、传导和辐射的传热量,燃烧持续下去。在此阶段影响燃烧的重要因素是高聚物的燃烧热,更确切地说,应该是从燃烧反应热中,扣除达到该种状态所需的热量之后的剩余热量,才是决定是否继续燃烧的关键如果剩余的热量是负值,又没有外界供给热量,燃烧就会停止。如果剩余热量是正值,则燃烧将继续下去。


5,火焰传播阶段,

火焰传播的必要条件是燃烧开始后,有足够的热量足以使邻近物质升温达到燃烧的程度,火焰就能够传播。在这一阶段,燃烧时材料的表面暴露程度有较大影响。

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