甲基丙烯酸酯胶燃烧热释放速率OSU法分析研究

2023-01-11王玉琢黄致尧包雯婷刘又瑞于新华

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2022年6期

王玉琢，黄致尧，陈龙,2，包雯婷，陈元，刘又瑞，于新华

(1.中国民用航空总局第二研究所民航航油航化产品适航与绿色发展重点实验室，四川成都 610041；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥 230022)

OSU(ohio state university)热释放速率测试方法被用于飞机舱内材料是否可以承受一定量包括飞行火灾和坠撞火灾引发的意外辐射热强度。OSU量热仪能为燃烧腔内提供稳定气流环境，较锥形量热仪法更能模拟舱内环境条件，也是各国民航管理局及国际民航组织推荐的飞机材料燃烧热释放速率测试方法。丙烯酸酯类胶(主要成分CH2CHCOO-R)已在装饰、电子、医用、制造等多个领域广泛应用，具有粘接范围广、耐候且配方简单、价格低、有热塑性等优点，但是耐温性差。短链丙烯酸酯热稳定性较差，热变形温度多数不超过150 ℃，工业应用多以丙烯酸酯为软单体、羧酸乙烯酯为硬单体在引发剂作用下制备高性能聚丙烯酯类压敏胶，其耐热性等综合性能均有不同程度提升。在民用航空领域，丙烯酸酯胶大量用于有机玻璃与涤纶带之间的粘接，航空座椅垫材料粘接，也有用于其他材料与饰物粘接的潜力。

目前对聚甲基丙烯酸酯类燃烧反应机理已有一定研究[1-3]，对丙烯酸酯类、聚丙烯酸脂类粘合剂的燃烧热性能研究多采用锥形量热仪法[4-7]，且研究多集中于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上，航空用丙烯酸酯胶粘接材料燃烧性能已有一定研究，但针对丙烯酸酯胶本身燃烧性能少见报道，采用OSU法对其在航空火灾中燃烧热释放速率的研究更是鲜见报道。CCAR(中国民航规章)25部、FAA(美国联邦航空管理局)14 CFR25、EASA(欧洲航空安全局) CS25等航空管理法规已对飞机材料燃烧热释放速率提出明确要求，丙烯酸酯胶作为潜在的民用飞机材料，有必要对其燃烧性能做进一步研究。

1 试验材料

实验样品为商用950型甲基丙烯酸酯类胶带(简称950胶)，粘附固定在2024铝合金板上。样品长150 mm，宽150 mm，铝板厚1 mm，胶带厚度为0.125 mm、0.250 mm、0.375 mm、0.500 mm、0.750 mm、1.000 mm。实验前试样在20 ℃～24 ℃、50%～55%环境中预处理24 h。实验仪器为OSU燃烧热释放速率测试仪(0～40 kW/m2)，辐射热通量为25.0 kW/m2、27.5 kW/m2、30.0 kW/m2、32.5kW/m2、35.0 kW/m2、37.5 kW/m2，受试时间为300 s。实验参考FAA Fire Handbook附录F部分进行，所有结果为两次重复实验结果的算术平均数。

2 实验结果

厚度为0.250 mm(常用粘接厚度)的试样在不同辐射热通量下的热释放速率-时间曲线如图1所示，热释放特征参数如表1所示，可知随着外加热辐射强度的增加，热释放速率(HRR)更快地达到峰值，燃烧反应更迅速。不同辐射热通量下试样的表面点燃时间如图2所示，可以看到当辐射热通量高于32.5 kW/m2时，样品迅速被点燃，且远小于辐射热通量为25.0 kW/m2、27.5 kW/m2的点燃时间。利用HRR-时间曲线，对时间积分可得到热释放量-时间曲线，如图3所示，可观察到反应过程的前80 s内，辐射热通量越高，试样反应热释放量越多，2 min后，总热释放量相差不大。

图1 不同辐射热通量(kW/m2)下试样燃烧热释放速率-时间曲线

表1 不同辐射热通量下实验数据

图2 不同辐射热通量下试样的表面点燃时间

图3 不同辐射热通量(kW/m2)下试样燃烧热释放量-时间曲线

国外研究发现，35.0 kW/m2辐射热通量环能够较好地模拟飞机客舱/货舱发生火灾时的热环境条件，各国航空局也以此辐射热通量作为适航验证试验要求的外加热辐射强度，因此选择固定辐射热通量为35.0 kW/m2开展厚度与热释放速率关系的实验。不同厚度试样在辐射热通量35.0 kW/m2下的热释放速率曲线如图4所示，热释放特征参数如表2所示，可以看出随着试样厚度的增加，HRR-时间曲线峰值越高，燃烧反应越剧烈。试样厚度为0.125～0.375 mm时，HRR-时间曲线仅出现一个峰，随着试样厚度的增加，达峰值时间有所缩短；试样厚度为0.500～1.000 mm时，HRR-时间曲线出现两个峰，随着试样厚度的增加，达峰值时间均往后推移。利用HRR-时间曲线，对时间积分可得到热释放量-时间曲线，如图5所示，可观察到反应过程的前80 s内，试样越厚，燃烧反应热释放量越多，2 min后总热释放量几乎与厚度成正比。

图4 不同厚度(mm)试样燃烧热释放速率-时间曲线

表2 不同厚度试样下实验数据

图5 不同厚度试样燃烧热释放量-时间曲线

3 讨论

OSU法测试燃烧热释放速率是通过计算典型有机物燃烧火焰热损失和出口端气体热焓来实现的，热释放速率Q可由下式计算得到[8]：

(1)

Q=q/A

(2)

(3)

q=EmeΔYO2

(4)

由式(4)可知ΔYO2为耗氧量直接相关量，令n为燃烧段数，Si为第i段耗氧燃烧反应引起的进出口氧气质量分数变化，则有：

(5)

将式(5)代入式(4)，则有：

(6)

试样红外吸收光谱如图6所示，可以看出吸收光谱不仅检测到丙烯酸酯类基团的特征峰，还检测到羟基等其他基团，该950胶成分复杂，随着950胶量增加，内层聚合组分热反应过程延长，热分解产物可能引起多段燃烧反应[9-10]。

图6 试样红外吸收光谱

试样厚度为0.250 mm时，6种不同强度外加热辐射环境中，试样均只发生一段燃烧反应。结合图1～图3可以推断，外加热辐射强度增大时，试样加速热解，相同时间释放更多的热解产物，其中气态热解产物也更快地达到燃烧浓度极限，试样表面更快被点燃。因为试样厚度相同，且6种强度外加热辐射环境中均能完全燃烧，所以总热释放量相差不大。结合图4可确定，在厚度为0.125 mm和0.250 mm时，HRR-时间曲线燃烧阶段仅出现一个极值点(52 s；49 s)，n=1；厚度为0.375 mm时，HRR曲线燃烧阶段出现一个拐点(41s)和一个极值点(48 s)，n=2；厚度为0.500 mm和0.750 mm时，相应的HRR-时间曲线燃烧阶段均出现两个极值点(33 s、50 s；45 s、64 s)，n=2；厚度为0.100 mm时，HRR-时间曲线燃烧阶段出现一个拐点(49 s)和两个极值点(58 s、80 s)，n=3。

图8 多段燃烧示意图

试样燃烧后照片如图7所示，多段燃烧示意图如图8所示。结合图7和图8可以看出，厚为度0.250 mm的试样燃烧充分，几乎无固体残余物。该厚度条件下，甲基丙烯酸酯等混合组分迅速热解，混合组分与分解产物同时参与耗氧燃烧反应，因此HRR-时间曲线表现为仅发生一段燃烧反应。而厚度为1.000 mm的试样燃烧后，铝板上存在部分不完全燃烧产物和明显的鼓泡痕迹，鼓泡区域可能为热解产物累积发生第2、第3段燃烧的区域。可见随着厚度的增加，由于试样存在不均匀性，样品内部热解产物逐渐向局部区域累积，当样品表面耗氧燃烧反应发生一段时间后，内部聚集的热解产物开始参加耗氧燃烧反应，发生多段燃烧。同时，随着试样厚度增加，试样内部热解产物累积时间增加，当n≥2时，末段燃烧反应峰值向后推延。在该强度外加热辐射环境中，不同厚度试样混合组分大部分完全燃烧，因此总热释放量与厚度近似成正比。