PBT与PA系列材料燃烧性能分析研究.doc

武警学院本科毕业论文（设计） PBT和PA系列材料燃烧性能分析研究1 前言塑料是以合成树脂为基本成分，在一定条件（温度、压力）下可以流动成型，成型后能保持其形状的材料。随着高分子学科的创立，石油化工工业的飞速发展，成型加工技术的开拓，使得以高分子材料为基础的塑料跻身于金属、纤维和硅酸盐的三大传统材料之列，被称为重要的新型材料之一。塑料的原材料丰富，制造容易，性能优异，成本低廉，适应性强，从最初作为部分金属、木材、皮革及无机材料的代用品发展成关系到从国防建设到日常生活中与国民经济发展密切相关的各个新领域。在建筑内部装修以及人们日常生活中塑料的应用都十分广泛，需求量也越来越大，但塑料又具有可燃性，且在燃烧过程中具有热量大、温度高、燃烧快以及释放出大量有毒气体的特点，这就给火灾扑救，人员逃生带来许多问题。新材料不断被开发、应用，种类和数量与日俱增。这些材料使用的消防安全性值得关注，本文利用材料燃烧性能常规平价法与热分析技术结合，对PBT和PA两类一系列塑料的燃烧性能进行了测试分析。2 实验部分2.1 原材料 PBT系列、PA系列塑料； 规格要求：氧指数测定用材：100mm10mm10mm；水平垂直燃烧用材：100mm13mm10mm；DSC、TG分析用材：80目颗粒。空气中热裂解测试：20目左右。2.2 实验仪器HC-2型氧指数测定仪，南京江宁分析仪器厂；C2F-3型水平垂直燃烧测定仪，南京江宁分析仪器厂；差式扫描仪（DSC25-TC15）：瑞士产；空气气氛，升温速率15.0/分，标准铝坩埚，以Al2O3为参比物；DSC曲线由Graphware TAT2软件处理进行测定。热重分析仪（TGA/SDTA851）：瑞士产；氮气气氛，升温速率30.0/分，标准铝坩埚，以Al2O3为参比物；TG曲线由Graphware TAT2软件处理进行测定。可控温马伏炉、电子天平。2.3 分析测试方法2.3.1 氧指数测定方法 参照GB T2406-93塑料燃烧性能试验方法氧指数法。2.3.2 水平垂直燃烧性能测试方法参照GB2408-80塑料燃烧性能试验方法水平燃烧法和GB4609-84塑料燃烧性能试验方法垂直燃烧法。2.3.3 DSC分析参照GB、TB464-92物质热稳定性的热分析方法。DSC用TA4000A系统的DSC25-15TC进行测定，在空气气氛中，升温速率15.0/min，标准铝坩埚，以Al2O3为参比物.1、将各种塑料加工成碎屑，使之通过100目筛，然后置于干燥皿中待用。2、用DSC25-15TC进行稳定性测试，并用GraphWare TA72 软件处理结果。2.3.4 PBT-G15的TG分析 参照GB、TB464-92物质热稳定性的热分析方法，TG分析在高纯氮气中测试，其流量为40ml/min，曲线用GraphWare TA72软件进行处理。2.3.5 空气中加热1、 将各种塑料加工成碎屑，使之通过20目筛，然后置于干燥皿中待用。2、 称8个样，每个样约5克，分别置于坩埚中（并将空坩埚在800下加热到恒重）。3、 将放有样品的坩埚置于加热至恒定温度的马伏炉中，每隔一定时间取出，冷却至室温称重。4、 计算出失重率。3 结果与讨论3.1 氧指数测定结果分析按2.3.1要求，取样进行氧指数测试,结果如表1。由下式计算氧指数 OI=F+kd (1) 式中: OI-氧指数，%; F-NT系列最后一个氧浓度，取一位小数,%; d-步长值; k=1.5。表1 塑料氧指数、阻燃性能对比类别名 称氧指数（%）阻燃性能评定PBTPBT-G15(本色)20.5易燃PBT-G30N21.5易燃PBT-RG 201AV.249129.5可燃PBT-RON 23D1(白)31.5可燃PBT-ROW-01(白)32难燃PBT-RG 30W-0132.5难燃PACMPA-6 B-0123.5易燃CPA-6(本色)24易燃CPA-66 B-06 264124.5易燃PA66-ROW(白)39难燃注：阻燃性能评价标准：OI27%为易燃；27%OI32%为可燃；OI32%为难燃.由表1可知PBT和PA两类常用塑料中，PBT- G15 (本色)氧指数为20.5%，属于易燃材料；PBT-RG 201AV.2491氧指数为29.5%，属于可燃材料；PA66-ROW(白) 的氧指数达39%,有较好的阻燃性能，达到了难燃级。3.2 水平垂直燃烧测定根据2.3.2取样分析，其结果如表2、表3。由表2和测试时观察到的现象表明，两类塑料在水平燃烧实验中，一部分塑料施加火焰30秒过程中火焰前沿均未超过第一标线，火源撤离后2秒内火焰熄灭, 燃烧过程中体积发泡膨胀生成大量烟尘和炭化物同时释放出大量刺激性气体，根据GB 2408-80 评定为GB 2408-80/；一部份塑料停止施加火焰后，材料继续燃烧，评定为GB 2408-80/。由表3可知，所测材料大部分属于FV-0级，有三种不合格。由此可知大部分塑料水平和垂直燃烧性能达到QB/T2133-95室内装饰用硬聚氯乙烯挤出型材（表4）规定的性能标准。表2 塑料水平燃烧测试结果试样名称离开火源2秒内火焰是否熄灭试样燃烧长度s（mm）燃烧速度v(mm/s)PBT-G15(本色)否1000.448PBT-G30N否1000.500PBT-RG 201AV.2491是PBT-RON 23D1(白)是PBT-ROW-01(白)是PBT-RG 30W-01是CMPA-6 B-01否1000.317CPA-6(本色)否1000.255CPA-66 B-06 2641否20PA66-ROW(白)是注： s火焰前沿在到达第二标线前熄灭时试样燃烧长度； v为火焰前沿在到达或超过第二标线时试样燃烧速度； 以上二组值均在火焰前沿超过第一标线时测量表3 塑料垂直燃烧测试结果试样名称第一次有焰燃烧时间（s）第二次有焰燃烧时间（s）第三次有焰燃烧时间（s）有无蔓延到夹具有无引燃脱脂棉燃烧性级别评价PBT-G15(本色)有有不合格PBT-G30N离火即灭无无FV-0PBT-RG 201AV.2491离火即灭无无FV-0PBT-RON 23D1(白)离火即灭无无FV-0PBT-ROW-01(白)离火即灭无无FV-0PBT-RG 30W-01离火即灭无无FV-0CMPA-6 B-01有无不合格CPA-6(本色)离火即灭无无FV-0CPA-66 B-06 2641有有不合格PA66-ROW(白)10无无FV-0表4 塑料燃烧性评价标准试 样 燃 烧 行 为级 别FV-0 FV-1FV-2每个试样每次施加火焰离火后有焰燃烧时间，秒 不大于103030每组五个试样施加十次火焰离火后有焰燃烧的总时间，秒 不大于50250250每个试样第二次施加火焰离火后无焰燃烧时间，秒 不大于306060每个试样有焰燃烧或无焰燃烧蔓延到夹具的现象无无无每个试样滴落物引燃医用脱脂棉现象无无有3.3 塑料的DSC分析 差示扫描量热法（DSC）是使试样和参比物在程序升温或降温的相同环境中，用补偿器来测量使两者温差保持为零所需热量，并研究其与温度或时间的依赖关系。DSC谱图的横坐标为温度T，纵坐标为热量变化率dh / dt，得到的dH / dt T曲线中出现的热量变化峰所对应的温度就是各种热转变温度。将材料按2.3.3加工，制成样品，用分析天平称重，放入标准坩埚内，再将此坩埚放入DSC25中，调节25为起始温度，设终温度为600（注：把终温定于600是因为在实验中使用的是标准铝坩埚，而铝的熔点在660左右）进行测定，其结果如图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。图1 塑料PBT-G15(本色)的DSC谱图（升温速率为15/min）图2 塑料PBT-G30N的DSC谱图（升温速率为15/min）图3 塑料PBT-RG 201AV.2491的DSC谱图（升温速率为15/min）图4 塑料PBT-RG 30W-01 的DSC谱图（升温速率为15/min）图5 塑料PBT-RON 23D1 的DSC谱图（升温速率为15/min图6 塑料PBT-ROW-01的DSC谱图（升温速率为15/min）图7 塑料PA66-ROW(白色) 的DSC谱图（升温速率为15/min）图8 塑料CPA-6(本色)的DSC谱图（升温速率为15/min）图9 塑料CPA-66 B-06的DSC谱图（升温速率为15/min）图10 塑料CMPA-6 B-01的DSC谱图（升温速率为15/min）由图1可知，在PBT-G15的图谱上出现两个峰：第一个吸热峰峰值温度为232，该温度为PBT-G15的熔点，故此吸热峰为熔解所致；第二个吸热峰峰值温度为420，这是因为PBT-G15受高温分解放出气体引起。其它材料可类推,结果如表5。表5 各类材料DSC分析结果试 样 名 称玻璃化转变温度（）第一吸热峰初始分解温度（）峰 温（）终止分解温度（）单位质量吸热量（）PBT-G15(本色)38.85222.61231.75234.2728.85PBT-G30N38.1221.01228.3235.5729.13PBT-RG 201AV.249141.1215.74227.55232.352.21PBT-RON 23D1(白)38.85221.79227.55234.1623.27PBT-ROW-01(白)41.1222.02228.3234.5020.64PBT-RG 30W-0139.6215.81225.3229.193.13CMPA-6 B-0138.1211.44222.45224.3957.45CPA-6(本色)67.95220.43228.3233.4015.77CPA-66 B-06 264138.1252.66265.5271.6645.06PA66-ROW(白)41.1262.97268.5273.0715.27续表试 样 名 称第二吸热峰初始分解温度（）峰 温（）终止分解温度（）单位质量吸热量（）PBT-G15(本色)399.67420.3448.89482.14PBT-G30N406.43423449.45271.87PBT-RG 201AV.2491399.08410.4451.87253.06PBT-RON 23D1(白)391.97413.25426.72306.11PBT-ROW-01(白)403.61409.65452.1973.42PBT-RG 30W-01383.13409.65442.59393.93CMPA-6 B-01414.95420426.163.10CPA-6(本色)444.70466.05471.21195.86CPA-66 B-06 2641446.94455.7488.69556.20PA66-ROW(白)341.50347.25354.8112.47从表5中可以看出，所测材料的玻璃化转变温度很相近；在200-500之间都有两个吸热峰，第一个吸热峰峰值温度在210-270之间，第二个吸热峰峰值温度在340-470之间。3.4 对塑料PBT-G15的TG分析和在空气中加热研究3.4.1 对塑料PBT-G15的TG分析热分析技术已广泛应用于材料的可燃性和阻燃性能的研究，特别是热重分析，热重分析是在程序升温下，测量被测试样的质量与温度的关系，从而获得被测试样在分解过程中的质量变化和失重速率，根据不同的气氛来研究阻燃材料的热降解和热氧化稳定性，尽管热重分析并不能准确地代表大规模燃烧的热效应，但可用来比较试样的分析难易程度，分解碎片的挥发程度，不同气氛的影响，以及阻燃组分的成炭能力反映出来的相对阻燃效果。因此，热重分析是评价材料的阻燃性和研究其阻燃机理的有效手段之一。将样品PBT-G15按照2.3.4要求进行测试，结果如图11所示。图11 PBT-G15的TG分析图谱（升温速率为15/min）由图11可以看出PBT-G15热解存在两个失重阶段，第一阶段大约在350-420范围内，反应物重量减少了约70%。在400温度下，可以观察到第二个重量变化阶段，反应物进一步减少约10%。其在700时的残炭量约为25%。3.4.2 对塑料PBT-G15在空气中加热研究 将式样按2.3.4要求进行加工，称8个试样，样品约重5.0克，将称好的试样置于规定温度的马伏炉中，间隔一定时间取出，冷却后称重，其结果如表6和表7。 从表6中可以看出230时，虽然经过长时间加热，其自身重量却并无什么大的变化，样品外观由颗粒状变为块状，颜色随时间的加长样品逐渐变为深黄色，这是塑料熔解的结果；而420时样品受高温加热分解出气体，故质量减少，从表中数据可知，样品在一个小时以内即基本分解完毕，观察不出样品质量随温度减少的情况，故在520时取样品的间隔时间缩短，但发现其分解的很快，5分钟以后已经基本分解完毕。故进一步改进实验，在420下又做了一组数据，如表7所示。表6 PBT-G15在空气中于230、420、520加热分解失重情况温度（）试样编号12345678230试样原重G(g)40.927.227.639.027.643.928.336.8燃烧时间（h）12345678热分解后样品重G(g)40.727.1527.639.027.643.928.236.7失重G(g)0.20.0500000.10.1失重率（%）41000022420试样原重G(g)27.228.730.331.727.627.929.6538.1燃烧时间（h）12345678热分解后样品重G(g)23.224.726.227.623.523.7525.533.9失重G(g)4.04.04.14.14.14.154.154.2失重率（%）8080828282838384520试样原重G(g)40.938.127.527.827.643.929.5527.6燃烧时间(min)510152030406080热分解后样品重G(g)37.034.223.523.823.639.825.523.45失重G(g)3.93.94.04.04.04.14.054.15失重率（%）7878808080828183表7 PBT-G15在空气中于420下缩短时间间隔时加热分解失重情况温度（）试样编号12345678420试样原重G(g)27.127.130.339.1531.627.528.236.7燃烧时间(min)1361015203040热分解后样品重G(g)27.126.526.935.227.723.624.332.7失重G(g)00.63.43.953.93.93.94.0失重率（%）012687978787880从表6、7中数据可以看出塑料PBT-G15在230时较长时间加热是稳定的。420下5分钟后样品变为流态，8小时失重84%，这是塑料受热分解所致，这与DSC热分解曲线相一致。420以上失重很快，产生大量烟气，随着温度的提高，塑料PBT-G15逐渐变为黄色甚至黑色流体，最终变为白色粉末，进一步可以看出520下一小时即失重80%以上，如果在此温度下再加热一段时间，塑料将基本分解完