发泡聚苯乙烯材料火灾危险性分析

技术应用ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡＮＤＭＡＲＫＥＴ

Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．５，２０２１发泡聚苯乙烯材料火灾危险性分析

陈　晨

（江苏航空职业技术学院，江苏镇江２１２１３４）

摘　要：为研究保温材料发泡聚苯乙烯（ＥＰＳ）热稳定性与热危险性，运用ＴＧＤＳＣＭＳＩＲ联用仪对ＥＰＳ分别在１０℃／ｍｉｎ、２０℃／ｍｉｎ、３０℃／ｍｉｎ、５０℃／ｍｉｎ四种不同升温速率下进行测试，并利用Ｋｉｓｓｉｎｇｅｒ法、Ｏｚａｗａ法对实验所得到的数据进行热力学分析，计算得到了活化能和指前因子等动力学参数，依据ＤＳＣ实验数据得出：不同实验条件下活化能相差不大，随着升温速率的升高，分解需要的能量减少，火灾的潜在危险性升高。

关键词：发泡聚苯乙烯；热分解；危险性

Ｆｉｒｅｒｉｓｋａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｐａｎｄｅｄｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ

ＣＨＥＮＣｈｅｎ

（ＪｉａｎｇｓｕＡｖｉａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２１３４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｈｅｒｍａｌｓａｆｅｔｙｏｆＥＰＳ，ｕｓｉｎｇｏｆＴＧＤＳＣＭＳＩＲｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｅｓｔｅｄ１０℃／ｍｉｎ、２０℃／ｍｉｎ、３０℃／ｍｉｎ、５０℃／ｍｉｎｆｏｕｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅｓｏｆＥＰＳ，ＡｎｄｕｓｉｎｇｔｈｅＫｉｓｓｉｎｇｅｒｍｅｔｈｏｄ，Ｏｚａｗａｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄ，ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｋｉｎｅｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙａｎｄｐｒｅｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｆａｃｔｏｒ，ａｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＳＣｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｌｉｔｔｌｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，Ｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅ，ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｎｅｅｄｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｃｒｅａｓｅｄｒｉｓｋｏｆｆｉｒｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥＰＳ；ｔｈｅｒｍａｌｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｒｉｓｋ

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０２１．０５．０２１

　引言

近年来，随着社会的快速发展，现代建筑早已不是泥沙、砖块的简单堆砌，而是有了新的材料和结构，墙体除了作为承重和分隔作用外，同时还涉及到保温隔热等多种功能。这些新材料和性能给人们带来愉悦和舒适的同时，也存在一些消防隐患，甚至给人们的生命和财产安全带来极大的威胁。２００９年２月９日北京央视大楼发生火灾，是因违规燃放的Ａ类礼花掉落到施工中的屋面保温材料上，使得火势沿保温材料迅速蔓延，造成高达１０万ｍ２的过火面积，估计损失逾７亿元，１人死亡，６人受伤［１－３］。

发泡聚苯乙烯（ＥＰＳ）是以聚苯乙烯树脂为主要原料，经发泡剂发泡而制成的一种由完全封闭的蜂窝状多面体构成的泡沫塑料板。聚苯乙烯泡沫塑料大多数系闭孔结构，其导热系数小、表观密度小、吸水率低、隔音性能好、机械强度高，而且尺寸精度高，结构均匀［４］，因而在建筑工程、船舶制造、运输工具、冷藏等方面广泛应用为绝热隔烟材料和减震材料，随着应用领域的扩大，也被用作包装材料［５－８］。由于用途广泛，到２００２年全球聚苯乙烯产量已高达１３９３万ｔ，消费量达１４１３万ｔ［９］。

　试验部分

１１　试验仪器选择

试验仪器包括热重－差示扫描量热－红外－质谱（ＴＧ－ＤＳＣ－ＩＲ－ＭＳ）联用分析仪器，仪器型号：德国Ｎｅｔｚｓｃｈ公司４４９Ｃ型；ＴＧ－ＤＳＣ同步热分析仪；ＱＭＳ４０３Ｃ质谱仪；美国Ｎｉｃｏｌｅｔ公司５７００型红外仪。

１２　试验样品

试验样品为模塑聚苯乙烯泡沫（ＥＰＳ），试样的密度：８０ｋｇ／ｍ３，样品来源于建材市场。

１３　试验条件设定

温升速率设定：１０℃／ｍｉｎ、２０℃／ｍｉｎ、３０℃／ｍｉｎ、５０℃／ｍｉｎ；温度设定范围：５０℃～６００℃；实验采用氮气气氛，并设定流量为２０ｍＬ／ｍｉｎ。

　试验结果分析

２１　ＥＰＳ热解过程分析

根据试验结果表明，在１０℃／ｍｉｎ、２０℃／ｍｉｎ、３０℃／ｍｉｎ、５０℃／ｍｉｎ速率下的ＴＧ、ＤＴＧ、ＤＳＣ试验曲线变化趋势较为一致。图１为氮气环境中ＥＰＳ在１０℃／ｍｉｎ下的ＴＧ－ＤＴＧ－ＤＳＣ图，从图中可以看出，ＥＰＳ只有一个明显的失重峰，初始分解温度为３２

０℃，终止温度为４５０℃；当温度达到４０３．４℃时，始终速率达到最高，相应的ＤＳＣ曲线中出现最大吸热峰；整个过程的失重率为７８．７３％，如表１所示。

由试验数据图可知，当温度达到１２５℃时，ＤＳＣ实验曲线中出现较小的吸热峰，该峰表明ＥＰＳ在此温度下由玻璃态向橡胶态转变；同时在１２５℃时，ＴＧ、ＤＴＧ曲线也有小的峰值波动，这表明ＥＰＳ内部结构发生了变化，内部泡沫小球破裂，产生的

泰诺０６

技术与市场技术应用２０２１年第２８卷第５期

气体逸出从而导致质量的变化。ＴＧ、ＤＴＧ、ＤＳＣ实验曲线共同说明了当温度升高后ＥＰＳ内部结构发生变化，由稳定状态向不稳定状态转变，

危险性有所增加。

图１　１０℃／ｍｉｎ时的ＴＧ－ＤＴＧ－ＤＳＣ图

表１　ＥＰＳ在不同升温速率时的ＴＧ实验结果

β／（℃·ｍｉｎ－１）Ｔ始／℃Ｔ峰／℃Ｔ末／℃失重率／％１０３２０４０３．４４５０７８．７３

２０３５８．８４２７．５４５６≈１００

３０３８４．９４３０．８４６９．５≈１００

５０３９９．３４４３４９５．３≈１００

个旧市和平小学ＥＰＳ在不同升温速率时的ＴＧ曲线图（见图２）显示表明，在氮气气氛中提高温升速率高，ＴＧ曲线则发生向高温区移动。其中，在设定最低温升速率１０℃／ｍｉｎ时，ＥＰＳ的发生失重比例大约在７７．８３％，试验数据表明，ＥＰＳ在此温升速率下未完全燃烧；当温升速率在２０℃／ｍｉｎ、３０℃／ｍｉｎ、５０℃／ｍｉｎ时，ＥＰＳ的失重比例均达到１００％，这表明ＥＰＳ在此时均完全分解；图３ＤＴＧ曲线表明，ＥＰＳ热解速率与温升速率成正向关系，当温升速率由１０℃／ｍｉｎ增加到５０℃／ｍｉｎ时，ＥＰＳ最大热解速率温度由４０２℃上升至４４６℃

。

图２　ＥＰＳ在不同升温速率时的ＴＧ

曲线

图３　ＥＰＳ在不同升温速率时的ＤＴＧ

曲线

图４　ＥＰＳ在不同升温速率时的ＤＳＣ图

图４是不同速率下的ＤＳＣ图，从图中可以看出，随着升温速率的升高，吸热峰值由４０３．８℃上升为４５０．２℃。由表１可以得出峰温随着升温速率的升高而升高，但热量呈现相反的趋势。２２　质谱和红外分析

根据上述实验结果可知，ＥＰＳ在３４６．１℃～４３５．８℃温度范围开始发生分解，并有分解产物生成。为了进一步了解ＥＰＳ在高温下热分解过程及其产物，本文选取了典型温度的三维图谱进行分析，如图５所示。

由图５（ａ）显示可知，当温度在３７２．５℃时，根据图谱中的波长峰可以判定分解产物有ＣＯ

２、

单取代苯、间二取代苯、炔类

物质、Ｈ

２

Ｏ生成；同时可能有酸类、醇类或酯类（１２１７ｃｍ－１处Ｃ－Ｏ伸缩振动、１６５０ｃｍ－１～１９００ｃｍ－１处羰基伸缩振动）物质生成。ＥＰＳ随着温度上升其生成的物质量也随之变大，同时也会有新的物质生成，当温度达到４０４．２℃，也就是物质最大热失重速率时，其生成物质的量将达到最大值。

由图５（ｂ）显示可知，在温度达到４０４．２℃时，在图谱中９１０ｃｍ－１和９９０ｃｍ－１处

Ｃ－Ｈ键面外弯曲振动、３０７２ｃｍ－１处Ｃ－Ｈ键的伸缩振动、１５００ｃｍ－１～１６８０ｃｍ－１处的Ｃ＝Ｃ键的对称伸缩振动，由这些波长数据可知，ＥＰＳ分解产物除了上述

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的物质外，产物中还有末端烯烃。此外发现产物在６９５ｃｍ－１和７１９ｃｍ－１处的吸收可判定末端烯烃是苯乙烯。由图５（ｃ）显示可知，当温度继续升高，其生成物质的量会一直减少直至没有，产物中最为典型的是末端烯烃类物质，其生成得慢，消失得却很快。从上面的分析可以得出，在受热初期，ＥＰＳ分解主要是苯乙烯的多聚物为主，ＥＰＳ在氮气环境中的热解主要是弱键处的随机断裂，形成多聚物，多聚物在高温下将进一步分解，直至形成单体（苯乙烯），从而可确定ＥＰＳ的热解机理主要是随机

分解。

图５　三维红外图谱中典型温度处红外吸收图谱（１０℃／ｍｉｎ）２３　热分解动力学计算和结果分析

本文利用Ｋｉｓｓｉｎｇｅｒ法与Ｏｚａｗａ法对ＥＰＳ的差示扫描量热曲线进行分析，经过分析计算可得出ＥＰＳ的活化能值Ｅａ和指前因子Ａ。具体分析计算结果如表２所示。

表２　Ｋｉｓｓｉｎｇｅｒ法的动力学分析结果

样品Ｅａ／

（ｋＪ·ｍｏｌ－１

）

ｌｇＡ（Ｓ－１

）