CN107356630B - 一种聚合物热流深度吸收系数演变规律的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是聚合物热流深度吸收系数的测试，特别是涉及一种聚合物热流深度吸收系数的测试方法。步骤为1）选定特定厚度（l）待测红外半透明聚合物样件若干；2）在氮气气氛下进行材料热解预实验，三次实验平均值为最终热解时间t；3）常温下固定厚度材料深度吸收系数（κ）测定，结合Beer‑Lambert定律：I/I 0 =(1‑r) 2 e ‑κl ，间接计算出该特定厚度下材料的平均深度吸收系数：κ=[lnI 0 (1‑r) 2 ‑lnI]/l；4）不同热解阶段材料深度吸收系数测定；5）拟合该热流下深度吸收系数随时间的演变规律κ=κ(t)，不同材料数学表达式会有差异；6）系列改变热流大小，重复步骤2‑5，归纳二元拟合深度吸收系数随热流及时间的最终演变规律κ=κ(I,t)。
Description
技术领域
本发明涉及的是聚合物热流深度吸收系数的测试，特别是涉及一种聚合物热流深度吸收系数的测试方法。
背景技术
在大尺度燃烧中辐射传热是未燃材料接收到的火焰热反馈的主要传热形式，外部辐射热流到达聚合物材料（红外半透明介质）表面后在表面发生反射、表面吸收和透射过材料表面三种现象，表面反射、吸收和透射所占百分比分别通过表面反射率r、表面吸收率τ和表面透射率ω这三个表面参数决定，它们的关系为r+τ+ω=1。透射过表面进入材料内部的热流在传输过程中又逐渐被材料所吸收，即深度吸收，如图1所求。聚合物对进入材料内部辐射热流的吸收则通过深度吸收系数这个特征参数κ表征，它代表热流透射过单位长度介质时材料对辐射能量的吸收能力，聚合物内透射热流大小与透射距离成指数关系衰减。聚合物吸收热量热解着火过程是材料从未燃向着火状态转变的最开始阶段，也是预防和控制火灾进一步发展最容易和关键的阶段，因此研究聚合物在外部辐射加热条件下的自燃着火和控制机理对此类材料在实际应用过程中的火灾和热安全防范工作有极大的指导和参考价值。
之前，使用水冷法（F. Jiang, J.L. de Ris, M.M. Khan, Absorption ofthermal energy in PMMA by in-depth radiation, Fire Safety J. 44 (2009) 106-112.）和瞬时法（G. Linteris, M. Zammarano, B. Wilthan, L. Hanssen, Absorptionand reflection of infrared radiation by polymers in fire-like environments,Fire Mater. 36 (2012) 537-553; J. Li, J. Gong, S.I. Stoliarov, Gasificationexperiments for pyrolysis model parameterization and validation, Int. J. HeatMass Transfer, 77 (2014) 738-744）测量常热流下特定厚度聚合物深度吸收系数的方法只能得到常温情况下的一个平均值，且认为该值在整个热解过程中保持不变，即为常数。不能反应材料在被加热、热解和着火过程中材料表面变化、内部发泡、体积膨胀、温度升高和热解反应等对其深度吸收系数的影响，如图2所示。
发明内容
本发明目的是为了克服上述现有测试方法的不足，提供了一种聚合物热流深度吸收系数演变规律的测试方法，该方法间接测定高温热解过程中材料深度吸收系数的变化过程。本发明采用分段终止热解过程的方法，采用标准仪器锥型量热仪和水冷热流计，将不同热解阶段测试样件冷却至常温并分别测定其深度吸收系数，进而得到该参数随时间和外部热流的演变规律。该方法操作简单，可靠性高，所用仪器均为标准仪器，测试步骤接近标准试验步骤，测试结果认可度高。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种聚合物热流深度吸收系数演变规律的测试方法，步骤如下：
1、选定特定厚度（l）待测红外半透明聚合物样件若干;
2、在氮气气氛下进行材料热解预实验。在锥型量热仪上预先设定好恒定热流，并用水冷热流计标定距辐射热源特定距离处热流大小，标准距离为25mm。标定好热流后按锥型量热仪标准步骤进行氮气气氛下的样件热解预实验,实验前在样件背面贴一热电偶，当热电偶所测温度达到材料热解温度时终止实验，并记录实验时间。每次实验重复三次，三次实验平均值为最终热解时间t;
3、常温下固定厚度材料深度吸收系数（κ）测定。将水冷热流计水平放置在步骤2中标准位置，关闭挡板，在水冷热流计上方放置一与待测样件大小相同的石膏板，石膏板中心打一圆孔使辐射热流能通过石膏板照射到热流计上表面，该圆孔直径与样件之下热流计直径相同，打开辐射源调节辐射源温度，使热流计所测热流与步骤2中热流大小相同，即I 0 ，关闭挡板。将待测样件水平放置在水冷热流计之上使下表面紧贴热流计表面，放置石膏板在待测样件之上，石膏板中心圆孔使辐射热流能通过石膏板照射到样件上表面中心处，该圆孔直径与样件之下热流计直径相同。打开挡板，记录下打开前后20秒内热流计所采集热流，线性拟合打开挡板后采集的热流数据，该拟合直线在打开挡板时刻对应的值即认为是常温下透射过该厚度材料的热流值，记为I。结合Beer-Lambert定律：I/I 0 =(1-r) 2 e -κl ，间接计算出该厚度下材料的平均深度吸收系数：κ=[lnI 0 (1-r) 2 -lnI]/l，其中r为材料的表面反射率，对绝大多数聚合物，其值采用0.05;
4、不同热解阶段材料深度吸收系数测定。根据步骤2所测热解时间t，将热解过程分为10段，每段时间为0.1t。在步骤2标定的热流下按标准步骤进行锥型量热仪下的热解实验，此时样件背面无需贴热电偶。当热解实验进行到0.1t时刻，关闭辐射源挡板，取出样件并冷却至室温，测量材料的平均厚度，再按步骤3方法测定常温下该时刻样件的深度吸收系数。需注意的是此时样件厚度已不再是样件初始厚度，加热受热膨胀、发泡、碳化等均会影响到样件厚度。重复该0.1t时间内测试过程三次，三次所测深度吸收系数平均值即为该时刻最终的深度吸收系数。按同样方法测量0、0.1t、0.2t、0.3t直至t时刻材料的深度吸收系数;
5、拟合该热流下深度吸收系数随时间的演变规律κ=κ(t)，不同材料其数学表达式会有差异;
6、系列改变热流大小，重复步骤2-5，归纳二元拟合深度吸收系数随热流及时间的最终演变规律κ=κ(I,t)。
一种聚合物热流深度吸收系数演变规律的测试方法设计合理，该方法间接测定高温热解过程中材料深度吸收系数的变化过程。本发明采用分段终止热解过程的方法，采用标准仪器锥型量热仪和水冷热流计，将不同热解阶段测试样件冷却至常温并分别测定其深度吸收系数，进而得到该参数随时间和外部热流的演变规律。本发明所述整套测试方法克服了传统方法只能测定常温下原始材料深度吸收系数的缺点，考虑了热解过程中材料表面变化、内部发泡、体积膨胀、高温、热解反应、表面碳化等因素对深度吸收系数的影响。测量数据处理方法科学合理，能够真实反应实际物理过程，计算原理成熟且计算及处理过程简便。本发明所涉及测试方法操作简单易行，可靠性高，所用仪器均为标准仪器，测试步骤接近标准试验步骤，测试结果认可度高。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是聚合物辐射热流吸收过程示意图;
图2是氮气气氛下聚合物热解过程示意图;
图3是本发明锥型量热仪常温下特定厚度材料深度吸收系数测定示意图;
图4是本发明深度吸收系数数据处理计算方法示意图;
图5是本发明不同热解阶段材料深度吸收系数测定实验示意图。
具体实施方式
参照附图1、2，图1是聚合物辐射热流吸收过程示意图。图2 是氮气气氛下聚合物热解过程示意图，其中聚合物主要分为两大类：非碳化聚合物和碳化聚合物。非碳聚合物在热解过程中表面没有碳层形成，热解后没有碳残渣留下，如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、HIPS(抗冲击性聚苯乙烯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)和PA6(尼龙)等材料；而碳化聚合物热解过程中表面会有碳层形成，该碳层对深度吸收过程影响非常大，而且会大大增加材料的厚度而影响热解过程，这类材料包括PVC(聚氯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PEI(聚醚酰亚胺)等。整个实验过程在氮气气氛下进行，保证实验中不出现着火现象。如出现着火则认为该步测试失败，加大氮气供应量重新测试直到整个过程不出现着火。
参照附图3、4、5，一种聚合物热流深度吸收系数演变规律的测试方法，步骤如下：
1、选定特定厚度（l）待测红外半透明聚合物样件若干;
2、在氮气气氛下进行材料热解预实验。在锥型量热仪上预先设定好恒定热流，并用水冷热流计标定距辐射热源特定距离处热流大小，标准距离为25mm。标定好热流后按锥型量热仪标准步骤进行氮气气氛下的样件热解预实验,实验前在样件背面贴一热电偶，当热电偶所测温度达到材料热解温度时终止实验，并记录实验时间。每次实验重复三次，三次实验平均值为最终热解时间t;
3、常温下固定厚度材料深度吸收系数（κ）测定。将水冷热流计水平放置在步骤2中标准位置，关闭挡板，在水冷热流计上方放置一与待测样件大小相同的石膏板，石膏板中心打一圆孔使辐射热流能通过石膏板照射到热流计上表面，该圆孔直径与样件之下热流计直径相同，打开辐射源调节辐射源温度，使热流计所测热流与步骤2中热流大小相同，即I 0 ，此步骤热流标定过程如图3左图所示，关闭挡板。将待测样件水平放置在水冷热流计之上使下表面紧贴热流计表面，放置石膏板在待测样件之上，石膏板中心圆孔使辐射热流能通过石膏板照射到样件上表面中心处，该圆孔直径与样件之下热流计直径相同，如图3中图所示。打开挡板，记录下打开前后20秒内热流计所采集热流，如图3右图所示。线性拟合打开挡板后采集的热流数据，该拟合直线在打开挡板时刻对应的值即认为是常温下透射过该厚度材料的热流值，记为I，处理过程如图4所示。结合Beer-Lambert定律：I/I 0 =(1-r) 2 e -κl ，间接计算出该厚度下材料的平均深度吸收系数：κ=[lnI 0 (1-r) 2 -lnI]/l，其中r为材料的表面反射率，对绝大多数聚合物，其值采用0.05;
4、不同热解阶段材料深度吸收系数测定。根据步骤2所测热解时间t，将热解过程分为10段，每段时间为0.1t。在步骤2标定的热流下按标准步骤进行锥型量热仪下的热解实验，此时样件背面无需贴热电偶。当热解实验进行到0.1t时刻，关闭辐射源挡板，取出样件并冷却至室温，测量材料的平均厚度，再按步骤3方法测定常温下该时刻样件的深度吸收系数。需注意的是此时样件厚度已不再是样件初始厚度，加热受热膨胀、发泡、碳化等均会影响到样件厚度。重复该0.1t时间内测试过程三次，三次所测深度吸收系数平均值即为该时刻最终的深度吸收系数。按同样方法测量0、0.1t、0.2t、0.3t直至t时刻材料的深度吸收系数，测试过程如图5所示;
5、拟合该热流下深度吸收系数随时间的演变规律κ=κ(t)，不同材料数学表达式会有差异;
6、系列改变热流大小，重复步骤2-5，归纳二元拟合深度吸收系数随热流及时间的最终演变规律κ=κ(I,t)。
所述的聚合物为非碳化聚合物和碳化聚合物。
实施例：
本发明是一种聚合物热流深度吸收系数演变规律的测试方法，步骤如下：
1、待测样件及测试设备准备。选定一种需要测定其深度吸收系数的红外半透明聚合物板材，要求材料加工过程采用浇筑工艺；所有切割过程采用激光切割，不能采用机械切割；加工成型样件厚度均匀，厚度误差要求不大于0.01mm；样件材质均匀，无明显气泡、杂质、砂眼、小孔、凹凸和水纹等，透明性一致且良好。数量为36块，其中3块为热解预实验重复实验用，另外33块为0、0.1t、0.2t等一直到t时刻实验的三次重复实验所用。样件尺寸为80mm×80mm，平均初始厚度为1mm。另准备多块尺寸为80mm×80mm，平均厚度为5mm的石膏板，石膏板中心位置打一直径为12.5mm的圆孔如图3所示，实验中辐射热流通过此圆孔照射在聚合物样件中心处，其他部位实验测试过程中被石膏板完全覆盖。多块石膏板实验过程中轮换使用，确保每次实验中打开辐射源挡板前其温度为室温。实验所用锥型量热仪应符合ISO 5660、ASTM E1354、GB/T16172等现行国内外测试标准。水冷热流计为锥型量热仪自带热流计，量程为0-100kW/m2，所有实验中热流计需通入常温水进行水冷;
2、在氮气气氛下进行材料热解预实验。打开锥型量热仪，固定好水冷热流计位置为标准位置，即热流计上表面与辐射源下表面距离为25mm且热流计在辐射源正下方中心位置处。打开辐射热源调节加热锥温度使热流计采集到的热流为20kW/m2并维持30分钟以上。关闭挡板，取下热流计，放置实验样件使其上表面位置与热流标定时热流计上表面在同一水平高度上，保证实验过程中材料接收到的热流为设定值。同时，在样件背面贴一直径为0.1mm热电偶。与锥型量热仪标准步骤不同的是，此热解实验样件背面不与绝热石棉材料相接触而是暴露在空气中，此步会大大延长背面温度达到热解温度的时间。若背面用绝热材料包裹，在大热流下样件背面在极短时间内达到热解温度，不利于后面步骤的分段。在此预实验中，样件上表面不用石膏板覆盖，全部暴露在空气中。为避免着火现象的发生，整个实验过程中样件应处于氮气气氛下。样件固定好后，打开辐射源挡板并点击采集软件“开始”按键开始实验。整个实验过程中记录实验时间和实时背面温度数据，当背面温度达到热解温度时，终止实验。不改变热流再进行两次重复实验，三次实验所测热解时间的平均值即为热解预实验的时间t;
3、常温下固定厚度材料深度吸收系数（κ）测定。按步骤2方法重新标定热流，不同的是，此步中标定前在热流计上表面相同高度处固定一石膏板（尺寸如步骤1中所述），其中心圆孔正好能透过辐射热流使其达到热流计表面。打开辐射源挡板调节锥型量热仪加热锥温度使热流计读数稳定在与步骤2相同的热流读数（I 0 ）并维持30分钟，如图3左图所示。需要注意的是此步骤中因为加了石膏板，加热锥温度较步骤2中温度要高。标定结束后，关闭辐射源挡板，固定一原始样件和石膏板如图3中图所示，打开采集软件开始实验，记录热流计所采实时热流，10秒时打开辐射源挡板让热流透过石膏板圆孔照射样件上表面10秒,在20秒时关闭挡板并结束实验，如图3右图所示。如此一共进行三次重复实验。该实验即为0时刻样件深度吸收系数测定实验，数据处理过程及深度吸收系数计算过程如下：为说明数据处理过程，图4以两种材料相同热流20kW/m2下的数据为例进行说明。挡板打开前，热流数据基本为0，10秒时挡板打开后，热流开始上升，之后10秒内由于材料受热源加热温度略有升高，故热流计采集的热流数据除透射热流处还有一部分是样件自身辐射的热流，因此其值不断升高。对该10秒内的数据进行线性拟合，如材料1，其拟合直线为y=0.437x+3.1。根据该拟合直线，取x=10秒时的计算结果，即7.47 kW/m2为挡板打开瞬间样件温度为常温情况下的透射热流值I。根据Beer-Lambert定律计算此材料深度吸收系数为κ=[lnI 0 (1-r) 2 -lnI]/l =[ln(20000×(1-0.05) 2 )-ln(7470)]/0.001=882.3m -1 。类似方法可得图4中第二种材料深度吸收系数为1741.3m -1 。图4为单次实验的处理结果，对每种材料，三次重复实验的平均值为最终该样件该时刻的深度吸收系数;
4、不同热解阶段热解样件获取及材料深度吸收系数测定。根据步骤2所测热解时间t，将其平均分为10段，分别为0.1t、0.2t、0.3t一直到t。取一原始样件，按步骤2的方法进行类似热解实验，不同的是此时无需在样件背面贴热电偶，且实验只进行到0.1t时刻关闭辐射热源挡板并终止实验，取下样件冷却至室温并标记以备后用。再取两块原始样件进行同样的重复试验且标记样件。用相同的方法再进行热解实验并分别在0.2t、0.3t…t时刻终止实验，每种工况总共进行三次实验且标记样件。用相同的方法再分别测定0.1t、0.2t、0.3t、…、t时刻常温下不同热解阶段获取的样件的深度吸收系数。需要注意的是，热解一段时间后的样件与原始样件厚度略有差别（如非碳化材料会变薄而碳化材料一般会变厚），因此在测定每个时刻深度吸收系数之前要进行厚度测量，所测厚度数值即为步骤3中计算公式中的实际l值;
5、根据步骤4所得一系列深度吸收系数值，拟合该热流下待测材料的深度吸收系数随时间的变化规律，即κ=κ(t);
6、调节热流大小为30、40、50、60、70、80、90 kW/m2，重复步骤2-5过程。得到不同热流下待测材料深度吸收系数随热流的变化规律，二元拟合所测深度吸收系数即为最终的深度吸收系数随热流及时间的演变规律κ=κ(I 0 ,t)。实际操作过程如图5所示。
Claims (4)
1.一种聚合物热流深度吸收系数演变规律的测试方法，其特征在于：步骤如下
（1）选定特定厚度l待测红外半透明聚合物样件若干；
（2）在氮气气氛下进行材料热解预实验，在锥型量热仪上预先设定好恒定热流，并用水冷热流计标定距辐射热源特定距离处热流大小，标准距离为25mm，标定好热流后按锥型量热仪标准步骤进行氮气气氛下的样件热解预实验,实验前在样件背面贴一热电偶，当热电偶所测温度达到材料热解温度时终止实验，并记录实验时间，每次实验重复三次，三次实验平均值为最终热解时间t；
（3）常温下固定厚度材料深度吸收系数κ测定，将水冷热流计水平放置在步骤2中标准位置，关闭挡板，在水冷热流计上方放置一与待测样件大小相同的石膏板，石膏板中心打一圆孔使辐射热流能通过石膏板照射到热流计上表面，该圆孔直径与样件之下热流计直径相同，打开辐射源调节辐射源温度，使热流计所测热流与步骤2中热流大小相同，即I 0 ，关闭挡板；将待测样件水平放置在水冷热流计之上使下表面紧贴热流计表面，放置石膏板在待测样件之上，石膏板中心圆孔使辐射热流能通过石膏板照射到样件上表面中心处，该圆孔直径与样件之下热流计直径相同；打开挡板，记录下打开前后20秒内热流计所采集热流，线性拟合打开挡板后采集的热流数据，该拟合直线在打开挡板时刻对应的值即认为是常温下透射过该厚度材料的热流值，记为I；结合Beer-Lambert定律：I/I 0 =(1-r) 2 e -κl ，间接计算出该厚度下材料的平均深度吸收系数：κ=[lnI 0 (1-r) 2 -lnI]/l，其中r为材料的表面反射率，其值采用0.05；
（4）不同热解阶段材料深度吸收系数测定，根据步骤2所测热解时间t，将热解过程分为10段，每段时间为0.1t；在步骤2标定的热流下按标准步骤进行锥型量热仪下的热解实验，此时样件背面无需贴热电偶；当热解实验进行到0.1t时刻，关闭辐射源挡板，取出样件并冷却至室温，测量材料的平均厚度，再按步骤3方法测定常温下该时刻样件的深度吸收系数；需注意的是此时样件厚度已不再是样件初始厚度，加热受热膨胀、发泡、碳化均会影响到样件厚度，重复该0.1t时间内测试过程三次，三次所测深度吸收系数平均值即为该时刻最终的深度吸收系数；按同样方法测量0、0.1t、0.2t、0.3t直至t时刻材料的深度吸收系数；
（5）拟合该热流下深度吸收系数随时间的演变规律κ=κ(t)，不同材料数学表达式会有差异；
（6）系列改变热流大小，重复步骤2-5，归纳二元拟合深度吸收系数随热流及时间的最终演变规律κ=κ(I,t)。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物热流深度吸收系数演变规律的测试方法，其特征在于：步骤（1）中待测样件及测试设备准备，选定一种需要测定其深度吸收系数的红外半透明聚合物板材，要求材料加工过程采用浇筑工艺；所有切割过程采用激光切割，不能采用机械切割；加工成型样件厚度均匀，厚度误差要求不大于0.01mm。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物热流深度吸收系数演变规律的测试方法，其特征在于：步骤（2）中在氮气气氛下进行材料热解预实验，打开锥型量热仪，固定好水冷热流计位置为标准位置，即热流计上表面与辐射源下表面距离为25mm且热流计在辐射源正下方中心位置处；打开辐射热源调节加热锥温度使热流计采集到的热流为20kW/m2并维持30分钟以上。
4.根据权利要求1所述的一种聚合物热流深度吸收系数演变规律的测试方法，其特征在于：所述的聚合物为非碳化聚合物和碳化聚合物。
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| "ＰＭＭＡ表面与深度吸收热解过程数值模拟";龚俊辉 等;《浙江大学学报（工学版）》;20161031;第50卷(第10期);第1879-1888页 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107356630A (zh) | 2017-11-17 |
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