CN109060880A - 一种基于热分析动力学参数的沥青阻燃效果评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于热分析动力学参数的沥青阻燃效果评价方法，属于沥青阻燃技术领域，从而解决目前评价方法只能从宏观层次粗放性评价、难以从理论层次更准确评价阻燃剂对沥青材料的阻燃效果的问题。本发明首先在沥青中添加8％阻燃剂制备阻燃改性沥青，进行工业分析和元素分析；采用DSC以不同升温速率进行试验，获得DSC曲线，划分不同燃烧阶段，采用微分法和积分法分别计算在不同燃烧阶段的动力学参数，相互校核计算结果；观察燃烧残留物表面微观形貌，并测试元素组成及各元素含量，与工业和元素分析结果进行对比，分析沥青和阻燃改性沥青在不同燃烧阶段所计算的活化能和指前因子，综合评价阻燃剂对沥青阻燃效果，更客观评价阻燃改性沥青的火灾安全性。

Description

一种基于热分析动力学参数的沥青阻燃效果评价方法
技术领域
本发明是一种基于热分析动力学参数的沥青阻燃效果评价方法，属于沥青阻燃技术领域。
背景技术
公路隧道的交通安全性与隧道所采用的路面类型的技术性能有着密切的关系。国内外目前公路隧道采用的路面主要为水泥混凝土路面和沥青混凝土路面两大类。沥青路面结构层属于柔性路面。其特点是路面结构层抗压弹性模量约为水泥混凝土一半，具有一定的吸收汽车动荷载产生的振动，无伸缩缝，故行车相对平稳，噪音小。沥青路面也具有良好的抗滑性能，因而隧道里得到了广泛的应用。但是，由于沥青路面中的沥青在高温环境具有易燃性，释放出大量有毒烟气和热量，造成严重次生灾害，给人员逃生及火灾救援带来极大困难。因此，提高隧道沥青路面阻燃效果的研究日益受到普遍重视。
目前，常用的方法是在沥青材料中掺加阻燃剂，阻燃剂按照化学成分分类分为：无机阻燃剂、有机阻燃剂。常见的无机阻燃剂有：金属氢氧化物阻燃剂、磷系无机阻燃剂和锑系无机阻燃剂；常见的有机阻燃剂有：卤素阻燃剂、氮系阻燃剂和磷系阻燃剂。含卤阻燃剂在燃烧过程中容易产生有毒或者有腐蚀性的气体，并伴有大量的烟雾，造成环境污染问题。常见的无机无卤阻燃剂与有机聚合物的亲和性差，界面结合力小，因此填充量大、相容性差，不利于聚合物的加工，降低了力学性能。
纳米阻燃剂是由颗粒尺寸1nm～100nm的超微阻燃粒子凝聚而成的纤维、薄膜、多层膜或块体。由于纳米粒子具有表面效应、量子尺寸效应和小尺寸效应，这可以改善无机物与聚合物基体的相容性，同时增强界面作用，从而达到减少填充量和提高阻燃性的目的。纳米阻燃剂在聚合物基体中分散均匀，受热可均匀释放其阻燃性，避免阻燃剂颗粒较大时局部分解而造成材料成炭时不均匀、质量差的问题。
目前评价材料阻燃性能的试验方法主要有闪点和燃点试验、氧指数试验、竖直燃烧、水平燃烧试验、锥形量热仪试验、热分析试验等。这些试验方法主要用于宏观阻燃性能测试，是粗放性试验，评价沥青的阻燃效果时存在较大局限性，难以从理论层次准确评价阻燃剂对沥青材料的阻燃效果。近年来，差示扫描量热法(DSC)作为重要的热分析方法之一逐渐得到应用，具有操作简单、灵敏度高的特点，但是也只是用于宏观阻燃效果评价，没有基于DSC试验结果运用热分析动力学理论计算沥青材料燃烧动力学参数，从理论计算层次评价阻燃剂对沥青的阻燃效果。
鉴于此，本发明提供一种基于热分析动力学参数的沥青阻燃效果评价方法，基于DSC试验结果利用采用Friedman微分法和Coats-Redfem积分法分别计算添加阻燃剂前后燃烧动力学参数，且可以相互校核其可靠性，从理论上评价阻燃剂对沥青阻燃效果，为提高沥青火灾安全性奠定基础。
发明内容
(1)技术问题
本发明目的是提供一种基于热分析动力学参数的沥青阻燃效果评价方法，从理论层次评价阻燃剂对沥青阻燃效果，从而解决目前评价方法只能从宏观层次粗放性评价、难以从理论层次更准确评价阻燃剂对沥青材料的阻燃效果的问题，从而更客观评价阻燃改性沥青的火灾安全性。
(2)技术方案
鉴于目前阻燃剂对沥青阻燃效果的评价方法存在只能从宏观层次粗放性评价、难以从理论层次更准确评价阻燃剂对沥青材料的阻燃效果的问题，本发明技术方案如下：首先在沥青中添加8％阻燃剂制备阻燃改性沥青，对沥青和阻燃改性沥青分别进行工业分析和元素分析，了解阻燃剂对沥青挥发分、灰分、固定碳、水分、各元素含量的影响；然后，采用差示扫描量热仪(DSC)以不同升温速率在空气气氛下对沥青和阻燃改性沥青分别进行试验，获得DSC曲线，划分不同燃烧阶段，采用Friedman微分法和Coats-Redfem积分法分别计算沥青和阻燃改性沥青在不同燃烧阶段的活化能和指前因子，相互校核计算结果；最后，采用扫描电镜和能谱分析仪，观察燃烧残留物表面微观形貌，并测试燃烧残留物中元素组成及各元素含量，并与工业和元素分析结果进行对比，分析沥青和阻燃改性沥青在不同燃烧阶段所计算的活化能和指前因子，综合评价阻燃剂对沥青不同燃烧阶段的阻燃效果。
(3)有益效果
近年来，随着我国公路交通事业发展和城镇化水平提高，隧道工程越来越多。目前隧道逐渐向长大化发展，因交通量大、行驶速度快，隧道已成为交通事故多发路段，由此引起的火灾事故率呈上升趋势。因沥青路面具有噪音低、抗滑性好、行车舒适、易维修与养护等优点，因此隧道路面多采用沥青路面。但是，高温环境下沥青易燃烧，释放大量热有毒烟气。隧道相对封闭环境内一旦发生火灾，环境温度迅速升高，隧道内烟雾难以及时排出，能见度降低等严重威胁被困人员生命安全，也为施救工作增加了难度。本发明目的是提供一种基于热分析动力学参数的沥青阻燃效果评价方法，求得沥青和阻燃改性沥青在不同燃烧阶段的活化能和指前因子，从理论上评价阻燃剂对沥青热稳定性影响，为更准确、客观评价阻燃剂的阻燃效果提供技术支持，降低火灾危害，提高隧道沥青路面火灾安全性具有重要意义。
具体实施方式
本发明提供一种基于热分析动力学参数的沥青阻燃效果评价方法，具体实施步骤如下：
(1)在沥青中添加8％阻燃剂制备阻燃改性沥青，对沥青和阻燃改性沥青分别进行工业分析和元素分析，了解阻燃剂对沥青挥发分、灰分、固定碳、水分、各元素含量的影响；
(2)在空气中分别对沥青和阻燃改性沥青进行DSC试验，升温速率分别为10℃/min、20℃/min和30℃/min，从室温升至800℃，获得不同升温速率下的DSC曲线；
(3)根据沥青和阻燃改性沥青在不同升温速率下的DSC曲线划分不同燃烧阶段，采用Friedman微分法和Coats-Redfern积分法分别计算沥青和阻燃改性沥青在不同燃烧阶段的活化能和指前因子，对比分析两种方法的计算结果；
(4)采用扫描电镜和能谱分析仪，观察沥青和阻燃改性沥青燃烧残留物表面微观形貌，并测试燃烧残留物中元素组成及各元素含量，并与步骤(1)工业和元素分析结果进行对比；
(5)综合分析沥青和阻燃改性沥青在不同燃烧阶段所计算的活化能和指前因子，并结合工业和元素分析试验结果，综合评价阻燃剂对沥青的阻燃效果。

Claims (1)

1.本发明一种基于热分析动力学参数的沥青阻燃效果评价方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
(1)在沥青中添加8％阻燃剂制备阻燃改性沥青，对沥青和阻燃改性沥青分别进行工业分析和元素分析，了解阻燃剂对沥青挥发分、灰分、固定碳、水分、各元素含量的影响；
(2)在空气中分别对沥青和阻燃改性沥青进行DSC试验，升温速率分别为10℃/min、20℃/min和30℃/min，从室温升至800℃，获得不同升温速率下的DSC曲线；
(3)根据沥青和阻燃改性沥青在不同升温速率下的DSC曲线划分不同燃烧阶段，采用Friedman微分法和Coats-Redfern积分法分别计算沥青和阻燃改性沥青在不同燃烧阶段的活化能和指前因子，对比分析两种方法的计算结果；
(4)采用扫描电镜和能谱分析仪，观察沥青和阻燃改性沥青燃烧残留物表面微观形貌，并测试燃烧残留物中元素组成及各元素含量，并与步骤(1)工业和元素分析结果进行对比；
(5)综合分析沥青和阻燃改性沥青在不同燃烧阶段所计算的活化能和指前因子，并结合工业和元素分析试验结果，综合评价阻燃剂对沥青的阻燃效果。
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