王玉琢，黃致堯，陳 龍,2，包雯婷，陳 元，劉又瑞，于新華

(1.中國民用航空總局第二研究所 民航航油航化產(chǎn)品適航與綠色發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230022)

OSU(ohio state university)熱釋放速率測試方法被用于飛機(jī)艙內(nèi)材料是否可以承受一定量包括飛行火災(zāi)和墜撞火災(zāi)引發(fā)的意外輻射熱強(qiáng)度。OSU量熱儀能為燃燒腔內(nèi)提供穩(wěn)定氣流環(huán)境，較錐形量熱儀法更能模擬艙內(nèi)環(huán)境條件，也是各國民航管理局及國際民航組織推薦的飛機(jī)材料燃燒熱釋放速率測試方法。丙烯酸酯類膠(主要成分CH2CHCOO-R)已在裝飾、電子、醫(yī)用、制造等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，具有粘接范圍廣、耐候且配方簡單、價(jià)格低、有熱塑性等優(yōu)點(diǎn)，但是耐溫性差。短鏈丙烯酸酯熱穩(wěn)定性較差，熱變形溫度多數(shù)不超過150 ℃，工業(yè)應(yīng)用多以丙烯酸酯為軟單體、羧酸乙烯酯為硬單體在引發(fā)劑作用下制備高性能聚丙烯酯類壓敏膠，其耐熱性等綜合性能均有不同程度提升。在民用航空領(lǐng)域，丙烯酸酯膠大量用于有機(jī)玻璃與滌綸帶之間的粘接，航空座椅墊材料粘接，也有用于其他材料與飾物粘接的潛力。

目前對聚甲基丙烯酸酯類燃燒反應(yīng)機(jī)理已有一定研究[1-3]，對丙烯酸酯類、聚丙烯酸脂類粘合劑的燃燒熱性能研究多采用錐形量熱儀法[4-7]，且研究多集中于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上，航空用丙烯酸酯膠粘接材料燃燒性能已有一定研究，但針對丙烯酸酯膠本身燃燒性能少見報(bào)道，采用OSU法對其在航空火災(zāi)中燃燒熱釋放速率的研究更是鮮見報(bào)道。CCAR(中國民航規(guī)章)25部、FAA(美國聯(lián)邦航空管理局)14 CFR25、EASA(歐洲航空安全局) CS25等航空管理法規(guī)已對飛機(jī)材料燃燒熱釋放速率提出明確要求，丙烯酸酯膠作為潛在的民用飛機(jī)材料，有必要對其燃燒性能做進(jìn)一步研究。

1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)樣品為商用950型甲基丙烯酸酯類膠帶(簡稱950膠)，粘附固定在2024鋁合金板上。樣品長150 mm，寬150 mm，鋁板厚1 mm，膠帶厚度為0.125 mm、0.250 mm、0.375 mm、0.500 mm、0.750 mm、1.000 mm。實(shí)驗(yàn)前試樣在20 ℃～24 ℃、50%～55%環(huán)境中預(yù)處理24 h。實(shí)驗(yàn)儀器為OSU燃燒熱釋放速率測試儀(0～40 kW/m2)，輻射熱通量為25.0 kW/m2、27.5 kW/m2、30.0 kW/m2、32.5kW/m2、35.0 kW/m2、37.5 kW/m2，受試時(shí)間為300 s。實(shí)驗(yàn)參考FAA Fire Handbook附錄F部分進(jìn)行，所有結(jié)果為兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

厚度為0.250 mm(常用粘接厚度)的試樣在不同輻射熱通量下的熱釋放速率-時(shí)間曲線如圖1所示，熱釋放特征參數(shù)如表1所示，可知隨著外加熱輻射強(qiáng)度的增加，熱釋放速率(HRR)更快地達(dá)到峰值，燃燒反應(yīng)更迅速。不同輻射熱通量下試樣的表面點(diǎn)燃時(shí)間如圖2所示，可以看到當(dāng)輻射熱通量高于32.5 kW/m2時(shí)，樣品迅速被點(diǎn)燃，且遠(yuǎn)小于輻射熱通量為25.0 kW/m2、27.5 kW/m2的點(diǎn)燃時(shí)間。利用HRR-時(shí)間曲線，對時(shí)間積分可得到熱釋放量-時(shí)間曲線，如圖3所示，可觀察到反應(yīng)過程的前80 s內(nèi)，輻射熱通量越高，試樣反應(yīng)熱釋放量越多，2 min后，總熱釋放量相差不大。

圖1 不同輻射熱通量(kW/m2)下試樣燃燒熱釋放速率-時(shí)間曲線

表1 不同輻射熱通量下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 不同輻射熱通量下試樣的表面點(diǎn)燃時(shí)間

圖3 不同輻射熱通量(kW/m2)下試樣燃燒熱釋放量-時(shí)間曲線

國外研究發(fā)現(xiàn)，35.0 kW/m2輻射熱通量環(huán)能夠較好地模擬飛機(jī)客艙/貨艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)的熱環(huán)境條件，各國航空局也以此輻射熱通量作為適航驗(yàn)證試驗(yàn)要求的外加熱輻射強(qiáng)度，因此選擇固定輻射熱通量為35.0 kW/m2開展厚度與熱釋放速率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。不同厚度試樣在輻射熱通量35.0 kW/m2下的熱釋放速率曲線如圖4所示，熱釋放特征參數(shù)如表2所示，可以看出隨著試樣厚度的增加，HRR-時(shí)間曲線峰值越高，燃燒反應(yīng)越劇烈。試樣厚度為0.125～0.375 mm時(shí)，HRR-時(shí)間曲線僅出現(xiàn)一個(gè)峰，隨著試樣厚度的增加，達(dá)峰值時(shí)間有所縮短；試樣厚度為0.500～1.000 mm時(shí)，HRR-時(shí)間曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰，隨著試樣厚度的增加，達(dá)峰值時(shí)間均往后推移。利用HRR-時(shí)間曲線，對時(shí)間積分可得到熱釋放量-時(shí)間曲線，如圖5所示，可觀察到反應(yīng)過程的前80 s內(nèi)，試樣越厚，燃燒反應(yīng)熱釋放量越多，2 min后總熱釋放量幾乎與厚度成正比。

圖4 不同厚度(mm)試樣燃燒熱釋放速率-時(shí)間曲線

表2 不同厚度試樣下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 不同厚度試樣燃燒熱釋放量-時(shí)間曲線

3 討論

OSU法測試燃燒熱釋放速率是通過計(jì)算典型有機(jī)物燃燒火焰熱損失和出口端氣體熱焓來實(shí)現(xiàn)的，熱釋放速率Q可由下式計(jì)算得到[8]：

(1)

Q=q/A

(2)

(3)

q=EmeΔYO2

(4)

由式(4)可知ΔYO2為耗氧量直接相關(guān)量，令n為燃燒段數(shù)，Si為第i段耗氧燃燒反應(yīng)引起的進(jìn)出口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，則有：

(5)

將式(5)代入式(4)，則有：

(6)

試樣紅外吸收光譜如圖6所示，可以看出吸收光譜不僅檢測到丙烯酸酯類基團(tuán)的特征峰，還檢測到羥基等其他基團(tuán)，該950膠成分復(fù)雜，隨著950膠量增加，內(nèi)層聚合組分熱反應(yīng)過程延長，熱分解產(chǎn)物可能引起多段燃燒反應(yīng)[9-10]。

圖6 試樣紅外吸收光譜

試樣厚度為0.250 mm時(shí)，6種不同強(qiáng)度外加熱輻射環(huán)境中，試樣均只發(fā)生一段燃燒反應(yīng)。結(jié)合圖1～圖3可以推斷，外加熱輻射強(qiáng)度增大時(shí)，試樣加速熱解，相同時(shí)間釋放更多的熱解產(chǎn)物，其中氣態(tài)熱解產(chǎn)物也更快地達(dá)到燃燒濃度極限，試樣表面更快被點(diǎn)燃。因?yàn)樵嚇雍穸认嗤?，?種強(qiáng)度外加熱輻射環(huán)境中均能完全燃燒，所以總熱釋放量相差不大。結(jié)合圖4可確定，在厚度為0.125 mm和0.250 mm時(shí)，HRR-時(shí)間曲線燃燒階段僅出現(xiàn)一個(gè)極值點(diǎn)(52 s；49 s)，n=1；厚度為0.375 mm時(shí)，HRR曲線燃燒階段出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)(41s)和一個(gè)極值點(diǎn)(48 s)，n=2；厚度為0.500 mm和0.750 mm時(shí)，相應(yīng)的HRR-時(shí)間曲線燃燒階段均出現(xiàn)兩個(gè)極值點(diǎn)(33 s、50 s；45 s、64 s)，n=2；厚度為0.100 mm時(shí)，HRR-時(shí)間曲線燃燒階段出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)(49 s)和兩個(gè)極值點(diǎn)(58 s、80 s)，n=3。

圖8 多段燃燒示意圖

試樣燃燒后照片如圖7所示，多段燃燒示意圖如圖8所示。結(jié)合圖7和圖8可以看出，厚為度0.250 mm的試樣燃燒充分，幾乎無固體殘余物。該厚度條件下，甲基丙烯酸酯等混合組分迅速熱解，混合組分與分解產(chǎn)物同時(shí)參與耗氧燃燒反應(yīng)，因此HRR-時(shí)間曲線表現(xiàn)為僅發(fā)生一段燃燒反應(yīng)。而厚度為1.000 mm的試樣燃燒后，鋁板上存在部分不完全燃燒產(chǎn)物和明顯的鼓泡痕跡，鼓泡區(qū)域可能為熱解產(chǎn)物累積發(fā)生第2、第3段燃燒的區(qū)域?？梢婋S著厚度的增加，由于試樣存在不均勻性，樣品內(nèi)部熱解產(chǎn)物逐漸向局部區(qū)域累積，當(dāng)樣品表面耗氧燃燒反應(yīng)發(fā)生一段時(shí)間后，內(nèi)部聚集的熱解產(chǎn)物開始參加耗氧燃燒反應(yīng)，發(fā)生多段燃燒。同時(shí)，隨著試樣厚度增加，試樣內(nèi)部熱解產(chǎn)物累積時(shí)間增加，當(dāng)n≥2時(shí)，末段燃燒反應(yīng)峰值向后推延。在該強(qiáng)度外加熱輻射環(huán)境中，不同厚度試樣混合組分大部分完全燃燒，因此總熱釋放量與厚度近似成正比。

4 結(jié)論

(1)增大外加熱輻射強(qiáng)度，試樣加速熱解，試樣表面更快被點(diǎn)燃，熱釋放速率峰值發(fā)生時(shí)間前移，使用該材料面臨的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)增加。

(2)外加熱輻射強(qiáng)度一定時(shí)，隨著厚度的增加，試樣燃燒熱釋放速率峰值增加，總熱釋放量增加，且出現(xiàn)多段燃燒耗氧燃燒反應(yīng)，末段燃燒反應(yīng)峰值時(shí)間隨厚度的增加向后推延?？傮w來說，增加膠厚度會(huì)導(dǎo)致面臨更高的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

(3)甲基丙烯酸酯膠燃燒熱釋放速率曲線隨外加熱輻射強(qiáng)度與厚度的變化會(huì)產(chǎn)生顯著改變，飛機(jī)使用該材料應(yīng)遠(yuǎn)離因燃燒可能產(chǎn)生高熱輻射的區(qū)域，且應(yīng)嚴(yán)格控制厚度。