pcabs树脂及其阻燃制品燃烧性能研究及fds分析（可编辑）

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3089、2331、101、2902,点燃时间推后21S,但CO产量有所增加。在锥形量热仪实验的基础上,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FDSBDP阻燃I武警学院本科毕业论文设计STUDYONTHEFIREPERFORMANCEOFTHEPC/ABSANDTHEFIRERETARDANTPC/ABSANDTHEANALYSISONTHEMBYFDSABSTRACTTHEIMPROVEMENTOFCOMBUSTIONPERFORMANCEOFPC/ABSAFTERADDEDINTOTHEPHOSPHORUSBASEDFIRERETARDANTBDPWASSTUDIEDFIREEXPERIMENTOFTHEPUREPC/ABSANDRETARDANTPC/ABSWASCARRIEDOUTUSINGTHECONECALORIMETER,ANDTHEBURNINGPARAMETERSOFTHETWOMATERIALSSUCHASHRR,EHC,TSR,MLR,THRANDTTIWEREGAINEDANALYSISHAVEBEENGIVENTOTHESEPARAMETERS,THERESULTSINDICATETHATTHEAVERAGEHRR,EHC,MLRANDTHROFTHERETARDANTMATERIALRESPECTIVELYREDUCEBY3089、2331、101,2902ANDTHETTIISPUTOFFBY21SWHENCOMPAREDTOTHEPUREMATERIAL,BUTTHEOUTPUTOFTHECOINCREASESINSOMEEXTENTONTHEBASEOFCONETEST,FIRESIMULATIONOFTHETWOPC/ABSMATERIALSWASCARRYOUTUSINGTHEFDSSOFTWARE,ANDTHERESULTSOFTHESIMULATIONWERESUCCESSFULLYGAINEDTHESMOKEVIEWPICTUREWASOBTAINEDANDTHEBURNINGBEHAVIOROFTHEMATERIALWASDIRECTLYWATCHEDCOMPREHENSIVEEVALUATIONISTHATBDPISARELATIVELYEXCELLENTKINDOFFIRERETARDANTATPRESENT,EXPERIMENTALMETHODSAREWIDELYUSEDTOEVALUATETHEBURNINGPERFORMANCEOFMATERIALS,BUTTHEEXAMPLESOFUSINGCOMPUTERSOFTWARETOAPPRAISETHEBURNINGCAPABILITYOFMATERIALSAREFEWCONETESTANDCOMPUTERSIMULATIONMETHODWEREADOPTEDTOGETHERINTHISPAPERTOEVALUATETHECOMBUSTIONPERFORMANCEOFMATERIALS,WHICHHADSOMEINNOVATIONMEANINGKEYWORDSPC/ABSRESINCONECALORIMETERFIELDMODALFDSBDPFIRERETARDANTII武警学院本科毕业论文设计目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111本论文研究的目的及意义112PC/ABS树脂的发展概况及其应用113PC/ABS树脂的阻燃技术2131PC/ABS常用的阻燃剂2132BDP阻燃剂介绍32实验部分521主要原料和仪器设备5211主要原料5212主要设备522CONE可以测定的燃烧参数723实验过程8231实验条件8232实验步骤824结果与分析8241CONE的测试结果及分析8242结果讨论123利用FDS对材料的燃烧性能进行模拟分析1331引言1332FDS软件介绍1333模型的建立1434数据处理说明1535模拟过程1536结果与讨论16III武警学院本科毕业论文设计37两种方法的比较204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28IV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,因为各种高性能材料是制造各种精密仪器的基础。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,更要求其达到良好的环保要求,各种阻燃规范要求得日益严格。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基础上,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,比较了各自的优缺点。11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。12PC/ABS树脂的发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些不足使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便宜,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的耐化学药品性和低温韧性,在PC/ABS共混物中,PC主要贡献高耐热性、较好的韧性和冲击强度以及高强度ABS则能改进共混物的可成型性、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BORGWARNER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、电动工具外壳、矿工安全帽、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。13PC/ABS树脂的阻燃技术131PC/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较广泛,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。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应,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。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,随着经济的发展,特别是当今社会提倡可持续发展,人们的环保和安全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两个指令的颁布自2006年7月1日起施行,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发展方向,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。132BDP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、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1520、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,如若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,所需产品大部分依赖进口,进口产第3页共30页武警学院本科毕业论文设计品主要是美国阿克苏诺贝尔公司的FYROLFLEXBDP、雅宝公司的NCENDXP30和日本大八公司的CR741,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实验部分21主要原料和仪器设备211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21所示,其编号为1。表21未阻燃PC/ABS样品配方PC60份ABS40份增韧助剂5份抗冲击改性剂2份阻燃样品的配方如表22所示,其编号为2。表22阻燃PC/ABS样品配方PC60份ABS40份增韧助剂5份抗冲击改性剂2份BDP15份212主要设备英国产FIRETESTINGTECHNOLOGYLIMITED锥形量热仪。CONE由六部分组成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当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21所示。第5页共30页武警学院本科毕业论文设计图21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基本上是相同的。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131MJ/KGO5。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。锥形量热仪气体取样流程图如图22所示。图22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2213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22CONE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,聚合物材料表面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21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22KG/KG。CO生成量大,烟的毒性就愈大。5点燃时间TTI,当使材料表面有发光火焰燃烧时所维持点燃的时间,单位为S。TTI愈长,表明聚合物材料在此条件下愈不易点燃,则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残余物含量。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可望代替或部分代替大型燃烧实验,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23实验过程231实验条件2选用锥形量热仪的测试条件为在热辐射强度为35KW/M条件下对样品进行燃烧实验。232实验步骤调试好锥形量热仪,用电子秤分别称出3320G空白样品和阻燃样品,把样品用锡纸包好,放入1010CM的方盒中并铺平,铺设厚度为3MM,2将试样水平放置于燃烧平台,在35KW/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。24结果与分析241CONE的测试结果及分析两种样品的CONE实验结果如表23所示。表23PC/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/SHRREHC值MLRTSR/MJM值211221/KWM/MJKG/GS/MM/KGKG1711865521020089307736100051829212893161200803027143300885由表23可以看出,采用BDP阻燃的PC/ABS与未阻燃的PC/ABS相比,HRR平均值降低了3089,EHC平均值降低了2331,MLR平均值降低了101,TSR降低了163,THR下降了2902,TTI延长了21S。加入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,说明加入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4147,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5MIN内各时间段的热释放速率平均值如表24所示。第8页共30页武警学院本科毕业论文设计2表24各时间区段HRR平均值单位KW/M1MIN2MIN3MIN4MIN5MIN13821038147617651873217857788411051242从表24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1MIN,第2MIN,第3MIN,第4MIN和第5MIN分别使热释放速率降低了534,444,401,374,337。热释放速率随时间变化的曲线图如图23所示。3001HRR2HRR2502001501005000100200300400500600时间/S图23PC/ABS空白样品和阻燃样品的HRR对比图2图23中空白样品的HRR曲线在270S达到昀高峰值27416KW/M,点燃时间短,热释放速率在400S之前明显高于阻燃样品,250320S内曲2线值在250KW/M以上,从400S开始迅速下降。阻燃样品在405S时才达2到昀高峰值18601KW/M,之后迅速下降,曲线比较平缓,整个燃烧时间2区段内HRR在200KW/M以下。图中从395S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360S以后空白样品和阻燃样品的EHC曲线波动较大,所以取360S以前的数据进行对比,EHC第9页共30页2HRR/KWM武警学院本科毕业论文设计随时间变化的曲线图如图24所示。90801EHC702EHC60504030201000100200300400时间/S图24PC/ABS空白样品和阻燃样品的EHC对比图在图24中,PC/ABS样品的有效燃烧热EHC曲线峰值较多,400S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25所示。0181MLR0161MLR0140120100800600400200100200300400500600时间/S图25PC/ABS空白样品和阻燃样品的MLR对比图从图25中可以看出,实验前期,空白样品的质量损失速率MLR高于阻燃样品,说明其热裂解速度和燃烧速度快,燃烧猛烈,火势发展快。第10页共30页1MLR/GS1EHC/MJKG武警学院本科毕业论文设计80701THR2THR60504030201000100200300400500600时间/S图26PC/ABS空白样品和阻燃样品的THR对比图从图26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,说明加入阻燃剂以后,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,影响人员的安全疏散,对人员的生命安全造成威胁,因此火灾危险性大。烟气释放量随时间变化的曲线图如图27所示。35001TSR30002TSR250020001500100050000100200300400500600时间/S图27PC/ABS空白样品和阻燃样品的TSR对比图从图27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28所示。第11页共30页22TSR/MM2THR/MJM武警学院本科毕业论文设计4003501CO2CO3002502001501005000100200300400500600时间/S图28PC/ABS空白样品和阻燃样品的CO对比图从图28中可知,毒性气体CO的生成量有所增加,增加了烟气的毒性。242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是一种阻燃性能比较理想的阻燃剂。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31引言采用锥形量热仪方法评价材料的燃烧性能,应用比较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,即耗费成本且需要一定的人力物力,而且可重复性比较差。而利用场模型FDS却可以容易地模拟假定条件下的火灾发展过程,让人感受到虚拟火灾的发展变化,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。FDS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基础,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。32FDS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ANSIAMERICANNATIONALSTANDARDSINSTITUTE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、流体力学等理论为基础,15能够对火灾过程提供比较精确的模拟。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发展出来的,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致力于解决防火工程中的实际火灾问题,同时为研究基础火灾动第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火焰传播和火势发展5喷水装置,热感器和烟感器的反应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,以及表面数据动画。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。33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754M的房间,前方开宽12M,高23M的门,后方开251M的窗户。房间内设6个08304M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31所示。图31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34数据处理说明1CONE实验中的材料非常有限,热释放速率在360S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360S以前的数据用于模拟。2FDS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30S,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别,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,在处理数据用于模拟时,把CONE实验中的HRR数据前30S部分去掉,取31S为开始状态。3本文以下部分讨论热释放速率、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330S,即55MIN。35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REAC语句定义反应物为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001。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比较困难,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36结果与讨论模拟过程中在不同的时间段截取了部分图片,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别,左面为空白样品的图片,右面为阻燃样品的图片。火焰的发展情况可以昀直观地表明热释放速率的大小,两种样品在1208S和2703S时的火焰发展情况如图3233所示。图321208S时的火焰发展情况图332703S时的火焰发展情况由图32可以看出空白样品火势发展比阻燃样品迅速,材料表面已经全部着火,而阻燃样品只是局部出现微小火焰。图33中空白样品的火势发展猛烈,而阻燃样品火势发展平缓,说明阻燃剂较好的抑制了火势的发第16页共30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应出燃烧的猛烈情况,一定程度上也反映了热释放速率的大小,室内温度高则火灾危险性大。空白样品和阻燃样品的室内温度分布图如图3435所示。图34132S时的室内温度分布情况图35264S时的室内温度分布情况图34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35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100S、1208S和2505S时的室内烟气情况如图3638所示。图36100S时的室内烟气分布图371208S时的室内烟气分布图382505S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36和37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100S时阻燃样品房间的烟气浓度明显低于空白样品房间的烟气浓度,超过120S以后二者的烟气释放量基本持平,在2505S时两种材料的房间都已充满了烟气如图38所示。100S时的室内能见度如图39所示。图39100S时的室内能见度由图39可看出,在100S时空白样品房间的能见距离仅为4575M,而阻燃样品房间内的能见距离为1732M。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310所示。图3102808S时的室内CO分布情况由图310可看出,空白样品房间内的CO浓度大约在28003500PPM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32004000PPM之间,峰值达到4000PPM,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。37两种方法的比较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,实验结果比较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发展过程,让人身临其境地感受到虚拟火灾的发展情况,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安全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3089有效燃烧热平均值和总释放热分别降低了2331和2902点燃时间延迟了21S。2BDP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4147,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发展速度明显降低,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是一种阻燃性能比较理想的阻燃剂。第21页共30页武警学院本科毕业论文设计参考文献1TKASHIWAGI,JWGILMAN,MRNYDENNEWFLAMERETARDANTADDITIVESCEUROPEANMEETINGONFIRERETARDANCYOFPOLYMERICMATERIALS,1997,482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,20041221273杨红华PC/ABS合金研究进展J化学工程师,20060130324SROWEN,JFHARPERMECHANICAL,MICROSCOPICALANDFIRERETARDANTSTUDIESOFABSPOLYMERSJPOLYMERDEGRADATIONANDSTABILITY,199964449455