论文发布

热辐射通量对PMMA 燃烧特性影响的实验研究

王 康，刘运传，王雪蓉，周燕萍，孟祥艳，王倩倩

（山东非金属材料研究所，山东济南250031）

 摘 要：采用锥形量热仪研究了15～65ｋＷ／㎡范围内不同的热辐射通量对PMMA燃烧特性的影响。结果表明，PMMA的平均热释放速率、质量损失速率和CO２产率与热辐射通量成线性递增关系；计算得到PMMA的气化热为2.35 kJ／g；点燃时间和到达峰值时间随着辐射通量的增加而呈指数衰减趋势；CO产率与比消光面积随着热辐射通量的增加而增大；热辐射通量对有效燃烧热和总释放热的影响较小。并将实验得到的PMMA的燃烧特性参数与文献报道的值进行了对比，可以作为PMMA的燃烧性能测试及火灾危险性评价的参考。

关键词：锥形量热仪；PMMA；燃烧特性；热辐射通量

中图分类号：X924.4 ，TK121  文献标志码：A 

文章编号：1009-0029（2017）01-0016-04

高聚物在诸多领域包括工业生产、光纤、家具、交通及医疗卫生领域可以作为传统材料如木材、金属和玻璃等的替代物。其中，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）由于具有良好的化学稳定性、优异的光学性能、机械性能和抗腐蚀性并且易于加工，在工业生产、医疗卫生、建筑和室内装饰等方面的应用日益广泛，如机械防护罩、仪表盘、展示架、标志牌、汽车玻璃、舷窗、广告牌等。但PMMA作为一种热稳定性差且极易燃烧的材料，在火灾中会给人们的生命财产造成极大的威胁。

除了材料本身的性质，影响材料燃烧特性的外部因素包括外部热辐射、湿度、空气流通情况、燃烧时的方向等，在锥形量热仪的燃烧环境下，外部热辐射对材料的燃烧性能的影响最大。掌握不同热辐射通量对PMMA燃烧参数的影响规律，对研究其火灾危险性具有重要意义。

采用锥形量热仪系统研究热辐射通量对PMMA燃烧性能的影响，对点燃时间、热释放速率、质量损失速率以及烟气产率等进行分析。由于样品以及测试方法不同，各燃烧参数的测试结果有一定的差异，将本文中的结果与文献进行比较，有一定的参考价值。 

１ 实验部分 

１．１ 主要原料

PMMA：购自章丘某有机玻璃厂，采用本体聚合生产，不添加任何填料。板材厚度为20ｍｍ，切割成大小为100 ｍｍ×100 ｍｍ的正方形试样。 

１．２ 实验设备

采用英国FTT公司生产的0007型锥形量热仪，按照ISO5660标准进行测试。

１．３ 测试方法

实验前将PMMA试块在温度为（23 ±2）℃，相对湿度为（50％±5％）的环境中养护至质量恒定。每个PMMA试块的质量为（246.3±2.0）g。每次实验前需对锥形量热仪进行校正，实验时，试块的四周和底部用铝箔包裹，采用点火器对试样进行引燃。测试了15～65ｋＷ／㎡的热辐射通量下PMMA的燃烧特性，所用测试热辐射通量及相应加热锥的温度，如表1所示。

２ 结果与讨论 

２．１ 热辐射通量对质量损失速率的影响

图１给出了PMMA在不同热辐射通量下的瞬时质量损失速率MLR的变化，t＝0代表PMMA开始暴露于所需要的热辐射强度而不是开始点燃的时间。从图1可以看到，所有试样的质量损失曲线可以分为四个阶段：PMMA点燃后进入第一阶段，PMMA开始分解，表面有明显的起泡现象，质量损失速率急剧增加；第二个阶段燃烧较为平稳，质量损失速率缓慢的增加；当质量损失达到一定程度，进入第三个阶段，PMMA厚度变薄，试样整个熔化翘曲，质量损失速率升高形成一个峰值；第四个阶段，质量损失速率降低至PMMA完全燃尽。燃烧结束后，试样架内没有残余物。随着热辐射通量的增大，试样的质量损失速率增加，其中质量损失速率峰值可由15 kW／㎡时的0.12 g／s增加至65 kW／㎡时的0.45 g／s。

单位面积质量损失速率（Specific  Mass loss  Rate，SMLR）可以由试样的质量损失速率与暴露于外部热辐射的面积（根据标准ISO5660，辐射面积为88.4ｃ㎡）的比值算得，假设PMMA是可以气化的固体，并且在燃烧过程中火焰的热辐射保持不变，可以得到式（1）。

式中：ΔHｇ为PMMA的气化热，kJ／g；FHF为PMMA燃烧过程中火焰的热辐射，kW／㎡；q为外部热辐射强度kW／㎡；ε为发射率；σ玻尔兹曼常数5.67×W／（㎡·Ｋ４）；Tｉｇ为点燃温度，K。

实验得到的单位面积质量损失速率的平均值与外部热辐射通量的关系，如图2所示。可以看到，随着热辐射通量增大，单位面积质量损失速率的平均值由15 kW／㎡时的12 g／（㎡·ｓ）增加至65 kW／㎡时的33 g／（㎡·ｓ），与热辐射通量成线性关系，斜率为0.426，由公式（1）得到PMMA的气化热为2.35 kJ／g，与文献［9］中报道的数值2.34 kJ／g、文献［8，9］中的2.77 kJ／g、文献［10］中的2.6 kJ／g相近。

２．２ 热辐射通量对热释放速率的影响

热释放速率是材料最重要的燃烧性能参数之一，决定了火灾时的发展速度，以及热、烟和毒气的产生，其测量基于氧耗原理。PMMA在不同热辐射通量时的热释放速率曲线如图3所示，与质量损失速率随时间的变化相似，热释放速率曲线可以分为四个阶段，并且随着热辐射通量增大而增大。

     热释放速率峰值和总释放热是评价材料的燃烧性和阻燃性的重要性能参数，而有效燃烧热可以反映固体燃烧时气相的热释放，是与时间和热辐射通量相关的一个参数，由热释放速率和单位面积的质量损失速率的比值求得。表2列出了PMMA在热辐射通量由15 kW／㎡至65 kW／㎡时燃烧过程中的平均热释放速率HRR、平均有效燃烧热EHC、以及总释放热THR、热释放速率峰值HRRＰｅａｋ。随着热辐射通量的增加，平均热释放率由291.7 kW／㎡升高至810.8 kW／㎡，热释放速率峰值由364.5 kW／㎡增加至1325.7 kW／㎡，有效燃烧热为（24.5±0.3）kJ／g，总释放热在热辐射通量为15 kW／㎡ 时较小，为523.3 MJ／㎡，之后增加到（674.1±7.1）MJ／㎡。PMMA的平均热释放速率与热辐射通量的关系同质量损失速率相似，成良好的线性关系，如图4所示。表2中给出了文献报道的PMMA的平均热释放速率和有效燃烧热，可知，实验数据与文献报道的结果有一定差异，热释放速率的不同与PMMA本身的性质包括分子量、熔融指数、厚度及添加剂等有关，而锥形量热仪的误差及操作过程中的标定工作都会对结果造成一定影响。

２．３ 热辐射通量对点燃时间和到达峰值时间的影响

表3列出了PMMA在不同辐射通量下的点燃时间（Tｉｇ）、到达热释放速率峰值的时间（Tｐ）。从表3可以看出，随着热辐射通量的增加，材料的点燃时间和到达峰值时间均减小，意味着在较高的热辐射通量下，材料能够在较短的时间内蓄积足够的能量，从而使材料很快被点燃、并迅速达到热释放速率峰值。对于热厚性材料，20ｍｍ 厚的PMMA的点燃时间与热辐射通量成指数递减关系，

以Tｉｇ－０．５对热辐射通量q作图，如图5所示，可见两者有很好的线性关系。同样的，PMMA到达峰值的时间也与热辐射通量成指数递减关系，如图6所示。

２．４ 热辐射通量对CO／CO２产率和平均比消光面积的影响

燃烧产物的毒性和烟密度也是评价材料火灾危险性的重要参数，表4为PMMA在不同热辐射通量下的CO／CO２产率和平均比消光面积SEA的测试结果。由表4可知，CO／CO２产率和平均比消光面积基本都随着热辐射通量的增加而增大，仅有个别数据有波动，CO２产率在热辐射通量为65 kW／㎡时达到了理论值2.2 kg/kg。

 PMMA在燃烧时的热氧化过程可以分为三个阶段，首先通过解聚反应或氧化反应生成甲基丙烯酸甲酯单体，之后单体被氧化成羧酸和醇，然后继续被氧化生成CO２、H２O和CO。随着热辐射通量的增加，PMMA燃烧过程中火焰温度增高，其裂解产物更多地与氧气反应，使得CO／CO２产率逐渐增大。由于热辐射通量增加燃烧更加剧烈，产物中的水汽浓度也增加，造成了比消光面积的增大。 PMMA的CO２产率与热辐射通量成良好的线性关系，如图7所示。表４中列出了文献报道的PMMA的CO２产率和CO产率，实验得到的CO２产率与文献报道比较一致，而CO产率由于数值较小，各结果相差较大。

３ 结 论

采用锥形量热仪以强制点燃的方式研究了PMMA 的燃烧特性，考察了不同的热辐射通量对PMMA 燃烧特性参数的影响。

（1）外部热辐射通量的变化对PMMA各燃烧性能参数有很大影响，质量损失速率随着热辐射通量的增大线性增加，根据单位面积质量损失速率计算得到PMMA的气化热为2.35 kJ／g。

    （2）在热辐射通量由15 kW／㎡升高至65 kW／㎡时，PMMA的平均热释放率由291.7 kW／㎡升高至810.8 kW／㎡，热释放速率峰值由364.5 kW／㎡增加至1325.7 kW／㎡，平均热释放速率随热辐射通量变化成良好的线性递增关系。热辐射通量变化对有效燃烧热和总释放热的影响较小。

   （3）PMMA的点燃时间、到达峰值时间随热辐射通量的增加而成指数衰减趋势，CO／CO２产率和平均比消光面积基本都是随着热辐射通量的增加而增大，CO２产率随热辐射通量成良好的线性递增关系。