近年來(lái)高速列車已經(jīng)成為人們出行首要選擇的線路交通工具,一旦發(fā)生火災(zāi)事故就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的人員傷亡和環(huán)境污染。雖然高速度列車內(nèi)飾材料為阻燃材料,在正常環(huán)境下難以點(diǎn)燃,但在電器火或人為縱火下仍能被點(diǎn)燃,甚至?xí)a(chǎn)生火蔓延。作為行李架和小桌板的阻燃聚碳酸酯板和作為地板重要組成部分的阻燃橡膠地板布是高速列車主要的內(nèi)裝材料,其熱解、燃燒及火蔓延特性與木材、非碳化高聚物以及三元已丙橡膠碳化類高聚物等的熱解、燃燒及火蔓延特性差異較大,因此二者作為本研究的主要對(duì)象。采用實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法開(kāi)展不同環(huán)境下樣品熱解、燃燒及火蔓延特性研究,并建立相應(yīng)的模型,便于進(jìn)行火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估。(1)基于實(shí)驗(yàn)法從微觀和宏觀方面探究樣品熱解特性基于熱重紅外實(shí)驗(yàn)從微觀上開(kāi)展不同溫升速率和環(huán)境氣氛下樣品熱解特性研究。結(jié)果表明隨著溫升速率的增加,阻燃聚碳酸酯和阻燃橡膠地板布的熱解和質(zhì)量損失速率曲線均向高溫區(qū)移動(dòng),采用Kissinger方法對(duì)樣品的活化能進(jìn)行計(jì)算。阻燃聚碳酸酯僅有一個(gè)熱解分解階段,氮?dú)鈿夥障聼峤猱a(chǎn)物為(水、二氧化碳、酚類物質(zhì)、甲烷、乙烯和芳環(huán)有機(jī)物),官能團(tuán)為(C-H、-CH3或-CH2)。阻燃橡膠地板布有兩個(gè)熱解階段,熱解產(chǎn)物為(水、二氧化碳、甲烷、乙烯),官能團(tuán)為(-CH3或-CH2、C=C)。氮?dú)鈼l件下采用火焰增長(zhǎng)量熱儀從宏觀上研究樣品熱解行為。阻燃聚碳酸酯在整個(gè)熱解過(guò)程中膨脹起泡,并結(jié)焦碳化。阻燃橡膠地板熱解初期出現(xiàn)起泡現(xiàn)象,并出現(xiàn)氣泡的破裂,低外加輻射熱流下樣品會(huì)出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象,隨著外加輻射熱流增大,此現(xiàn)象逐漸消失。建立氮?dú)鈿夥障沦|(zhì)量損失速率與外加輻射熱流之間的關(guān)系,確定樣品汽化熱。(2)基于實(shí)驗(yàn)和理論研究氧濃度和外加輻射熱流對(duì)樣品燃燒特性的影響基于火焰增長(zhǎng)量熱儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立不同氣氛下質(zhì)量損失速率與外加輻射熱流之間關(guān)系,獲得不同氣氛下樣品熱阻礙系數(shù);基于變氧技術(shù)測(cè)量不同外加輻射熱流下樣品極限氧濃度;基于最小熱流來(lái)代替臨界熱流和對(duì)流傳熱系數(shù)作為外加輻射熱流的函數(shù),建立樣品點(diǎn)燃溫度模型,模型計(jì)算值和測(cè)量值更加接近;建立不同氧濃度下點(diǎn)燃時(shí)間與外加輻射熱流之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)膨脹和起泡膨脹碳化材料在不同氣氛下的點(diǎn)燃時(shí)間關(guān)系不再嚴(yán)格遵循熱薄材料經(jīng)典公式;發(fā)現(xiàn)樣品燃燒過(guò)程中會(huì)存在明顯的過(guò)渡區(qū),即氧控制過(guò)渡到外加輻射熱流控制。(3)基于實(shí)驗(yàn)和理論研究氧濃度和外加輻射熱流共同影響的樣品垂直火蔓延特性樣品火蔓延速度隨著氧濃度和外加輻射熱流的增大而增大,樣品火蔓延速率分別與氧濃度和外加輻射熱流呈現(xiàn)冪指數(shù)關(guān)系。同一外加輻射熱流下,火蔓延速度與不同的氧濃度的冪指數(shù)約為2:同一氧濃度下,火蔓延速度與不同外加輻射熱流的冪指數(shù)最小值均出現(xiàn)在氧濃度為30%時(shí)環(huán)境下;樣品質(zhì)量損失速率與熱解高度關(guān)系受樣品的種類影響較大,二者之間呈現(xiàn)冪的關(guān)系。低氧和空氣環(huán)境下低外加輻射熱流時(shí),阻燃聚碳酸酯質(zhì)量損失速率與熱解高度的擬合指數(shù)主要1.3左右,高輻射熱流時(shí)在2.5左右波動(dòng);高氧環(huán)境下低外加輻射熱流時(shí)其擬合指數(shù)在1.4左右波動(dòng),高輻射熱流時(shí),指數(shù)波動(dòng)比較大。不同氧濃度和不同外加輻射熱流下,阻燃橡膠地板布質(zhì)量損失速率與樣品熱解高度的擬合指數(shù)在1左右波動(dòng)。阻燃聚碳酸酯和橡膠地板布質(zhì)量損失速率與火焰高度之間的關(guān)系都符合于“貼壁理論”,二者之間呈現(xiàn)冪關(guān)系,其指數(shù)約為2/3。本研究成果有助于預(yù)防高速列車內(nèi)飾材料火災(zāi)發(fā)生,為高速列車防火安全設(shè)計(jì)提供基本數(shù)據(jù)和技術(shù)指導(dǎo),同時(shí)也在一定程度豐富了火災(zāi)科學(xué)理論。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：U270.4;U298.4
【部分圖文】：

揮發(fā)的可燃性氣體較多，會(huì)導(dǎo)致熱釋放速率繼續(xù)增長(zhǎng)。Ｗｕ［２９］通過(guò)ＦＰＡ改變?nèi)紵义线^(guò)程中的氧濃度，發(fā)現(xiàn)隨著氧濃度的提升聚碳酸酯的最大熱釋放速率逐漸增加。逡逑橡膠作為起泡碳化材料，其燃燒機(jī)理如圖１－２所示。當(dāng)材料表層接收一定外逡逑加熱輻射時(shí)，材料表面受熱開(kāi)始起泡，當(dāng)氣泡內(nèi)部壓力大于外加壓力時(shí)，起泡破逡逑裂并釋放可燃料氣體，可燃?xì)怏w接觸電火花和點(diǎn)火焰時(shí)，樣品被點(diǎn)燃，但是由于逡逑樣品氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊力過(guò)大，帶起部分樣品表皮飛出，可能導(dǎo)致剛剛點(diǎn)燃的逡逑樣品熄滅，當(dāng)樣品燃燒達(dá)到一定強(qiáng)度后，產(chǎn)生熱量會(huì)加速樣品內(nèi)部分解產(chǎn)生更多逡逑可燃?xì)怏w。燃料過(guò)程中出現(xiàn)樣品斷裂或龜裂（和木材燃料行為類似［３？３２］）。逡逑氣體揮發(fā)物逡逑反應(yīng)熱逡逑蒸發(fā)ｔ逡逑麻熱邐▲逡逑ｔ邋—邋”逡逑起泡層逡逑—？碳層逡逑Ｉ邐？未分解層逡逑Ｖ逡逑熱傳導(dǎo)逡逑圖１＿２起泡碳化材料燃燒機(jī)理逡逑諶瑞宇對(duì)［３３－３４］ＥＰＤＭ橡膠燃燒特性進(jìn)行研究，樣品點(diǎn)燃之前主要觀察到兩種逡逑現(xiàn)象，一是試樣開(kāi)裂的聲音，二是灰白色的揮發(fā)性氣體。低熱流下分解出的可燃逡逑性揮性氣體的數(shù)量短時(shí)間內(nèi)不足以維持試樣的持續(xù)燃燒，樣品表面會(huì)出現(xiàn)間歇火逡逑焰

蔓延速度與氧濃度呈現(xiàn)冪指數(shù)關(guān)系，其指數(shù)為２．１。而Ｔｓａｉ［４Ｑ］采用錐形量熱儀對(duì)逡逑ＰＭＭＡ垂直順流火蔓延進(jìn)行研宄，通過(guò)改變錐輻射角度來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品表面受熱均逡逑勻，實(shí)現(xiàn)不同熱輻射熱流下材料的火蔓延。碳化材料垂直火蔓延機(jī)理［４１４２］如圖１－逡逑３所示。逡逑？邐，邋，邋邐？火焰前鋒逡逑勹；逡逑火ｕ預(yù)熱區(qū)逡逑炮８逡逑Ｊ邋！邐逡逑—一－？邐邐？火焰末端逡逑燃盡區(qū)逡逑圖１－３垂直火蔓延機(jī)理逡逑垂直火蔓延計(jì)算如式１－２所示逡逑（Ｘ－Ｘ邋）邐，邐、逡逑ｙｆ0＝—￣￣－邐（１－２）逡逑Ｔ逡逑６逡逑

升和不同環(huán)境氣氛下的失重及熱變化過(guò)程，和熱解氣體成份的測(cè)量。本研究中所逡逑采用的熱重－紅外聯(lián)用儀由美國(guó)ＰｅｒｋｉｎＥＩｍｅｒ公司研制和開(kāi)發(fā)的，該實(shí)驗(yàn)裝置的逡逑實(shí)物圖由圖２－１所示。逡逑柋渪逡逑圖２－ｌＴＧ￣ＦＴＩＲ實(shí)特裝置圖：（ａ）熱重分析儀（ＳＴＡ－８０００）邋（ｂ）熱解氣體輸送管（ｃ）氣逡逑體收集槽（ｄ）邋ＩＲ光譜分析儀（ｅ）數(shù)據(jù)采集終端（ｆ）氣瓶逡逑熱重紅外聯(lián)用分析儀主要部件由熱重分析儀、氣體輸送管、氣體收集槽、ＩＲ逡逑光譜分析儀、數(shù)據(jù)采集終端和氣瓶（主要為熱分解提供氣氛環(huán)境）。其工作原理逡逑為供氣裝置以恒定速率（５０ｍＬ／ｍｍ）向熱重分析儀內(nèi)的燃燒爐吹掃熱分解的環(huán)境逡逑氣氛，將粉未狀樣品（８－ｌＯｍｇ）放置于燃燒爐中，以恒定的溫升速率加熱樣品，逡逑使樣品分解失重，失重過(guò)程產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體通過(guò)氣體輸送管被泵抽到紅外收集逡逑中，并通過(guò)紅外光譜儀進(jìn)行分析Ｗ。紅外光譜分析的工作原理主要為［４］物質(zhì)通過(guò)逡逑當(dāng)具有連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光束，當(dāng)物質(zhì)分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率或旋轉(zhuǎn)頻率和紅逡逑１３逡逑

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