擠塑聚苯乙烯板材的受熱過程研究

王昭君,孫詩兵,田英良,陳 超

(北京工業大學材料科學與工程學院,北京100124)

擠塑聚苯乙烯板材的受熱過程研究

王昭君,孫詩兵,田英良,陳 超

(北京工業大學材料科學與工程學院,北京100124)

利用熱失重分析儀 -傅里葉變換紅外光譜測試儀聯用儀(TG-FTIR)和影像式燒結點試驗儀研究擠塑聚苯乙烯(XPS)板材受熱過程中的熱解特性,同時研究了其熱分解過程中氣體產物的釋放規律。結果表明,XPS板材的初始熔融溫度約為78℃,熔融溫度約為100℃,流動溫度為212℃。在408～452℃范圍內,XPS板材試樣的失重速率迅速增加,并在435℃達到最大值,為1.6%/min。

擠塑聚苯乙烯;熔融溫度;流動溫度;熱分解

0 前言

XPS板材具有閉孔的泡體結構,因此其綜合性能十分優異,其絕熱性能優異、持久性好、吸水率較低、尺寸穩定性好、抗蒸汽滲透性優良、壓縮強度高等,在諸多領域得到了廣泛應用[1]。

保溫板材的防火性能是保溫材料一項重要性能。材料在受熱過程中,與空氣中的氧反應,發生燃燒現象,放出熱量,可能成為新的火源。在燃燒過程中材料塌落或者熔化,導致火焰蔓延。并且材料在高溫下發生化學分解或與空氣中成分反應,產生的氣體具有刺激性或毒性,會使人窒息,喪失逃避能力[2]。因此,研究材料的受熱過程是分析保溫材料火災成因和發展的重要步驟,而目前關于常用有機保溫材料的受熱行為研究還很少,大都是對單一成分的裂解分析。本文探討XPS板材的受熱發展過程,對分析火災成因、設計阻燃新材料具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 主要原料

XPS板材,密度為35 kg/m3,北京敬業達新型建筑材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

熱失重分析儀-傅里葉變換紅外光譜測試儀聯用儀,Ther Max 700-Nicolet 6700,美國熱電公司;

影像式燒結點試驗儀,SJ Y,湘潭湘儀儀器有限公司;

馬弗爐,1200℃,洛陽神佳窯業有限公司。

1.3 樣品制備

用發熱電阻絲分別將泡沫塑料切割成6 mm×6 mm×5.5 mm的試樣用于燒結影像試驗,試樣制成后表面較為平整。

1.4 性能測試與結構表征

利用TG-FTIR表征樣品的 TG-DTG曲線以及紅外光譜譜圖,試樣質量約為18.6 mg,保護氮氣流量120 mL/min,吹掃空氣流量60 mL/min,試驗溫度為室溫至700℃,升溫速率為10℃/min。

利用影像式燒結點試驗儀,將試樣放置在陶瓷托板上,設置程序升溫速率為10℃/min進行試驗。

2 結果與討論

2.1 XPS板材的TG-FTIR分析

根據圖1中XPS板試樣的 TG-DTG曲線可知,升溫速率為10℃/min時,試樣在室溫～700℃有3個明顯的熱失重階段,質量損失基本可劃分為3階段。

圖1 XPS板材的熱重 -微商(TG-DTG)曲線Fig.1 TG-DTG curves of XPS

(1)室溫～305.6℃。初始時試樣在設定的升溫速率下的非等溫過程,由于開始加熱時,坩堝周圍氣體浮力的減少,導致在這一段時間內有少量增重。此后試樣溫度加熱到與周圍溫度接近,由圖1可知,先有一部分的內部化學鍵發生斷裂,試樣質量減少。此階段試樣的分解溫度Ti1為274.5℃,失重速率在295℃達到最大,為0.25%/min,失重率為4.62%。

(2)305.6～ 452.2℃。305.6～ 408.1℃之間出現一個平臺,試樣在這個溫度范圍內只有少量支鏈斷裂。408.1～452.2℃范圍內,試樣的失重速率迅速增加,并在435℃達到最大值,為1.6%/min。此階段是XPS試樣熱分解的主要階段,釋放出大量熱分解產物,熱分解溫度Ti2為405.7℃,失重率為76.78%。

(3)452.2～ 700℃。452.2～ 507.4℃之間有平臺出現,在這個溫度范圍內,試樣溫度雖與周圍溫度接近,還有小部分的化學鍵斷裂,但試樣在上一階段已經大量分解,能夠斷裂的化學鍵數目逐漸變少,質量變化趨勢逐步減慢。隨后試樣又出現一個熱分解階段,失重速率在541℃達到最大,約為0.17%/min。此階段的熱分解溫度Ti2為518.1℃,失重率為9.53%,最終試樣的質量保留率為9.1%。

XPS板材在升溫速率為10℃/min時,不同溫度下的紅外光譜圖譜如圖2所示。圖3是XPS板材在熱解時逸出氣體中官能團[3]的變化情況。與 TG聯用時,試樣受熱失水,水分和CO2對FTIR吸收有干擾,在紅外圖譜的3500～4000 cm-1和1300～1800 cm-1處可以看到明顯的毛刺狀吸收峰。2350 cm-1處吸收峰為CO2特征峰。從圖中可知,XPS板材被加熱至80℃時已經有CO2逸出,164℃時出現烷烴特征吸收峰,至203℃后消失,在800～1000 cm-1是芳香化合物C—H伸縮振動特征吸收峰。CO和炔烴在溫度達到372℃后有釋放。在熱失重的第二階段,除了釋放出CO2和CO以外,還有大量的有機分子放出,2600～3300 cm-1為烯烴、炔烴和芳香化合物的特征吸收峰,并且在700～1000 cm-1處有有機鹵代物、芳香化合物的 C—H伸縮振動吸收峰等,這些產物都在530℃后消失。在失重的第三階段,熱分解終止,氣相組成主要是CO2和H2O等。

圖2 XPS板材在不同溫度時的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectrum of XPS at different temperature

圖3 XPS板材FTIR三維圖譜Fig.3 FTIR 3D spectrum of XPS

2.2 XPS板材的受熱變形行為

圖4顯示了50～415℃的熱解變形過程,XPS板材在78℃開始變形,78～212℃收縮變形明顯,212℃以上時試樣熔融,開始流動,并且產生大氣泡,冒煙,有芳香氣味。可以看出,試樣受熱后體積收縮,78～212℃收縮率較大,加熱到212℃后試樣液化,不斷產生氣泡、氣泡變大并最終破碎,至415℃完全攤開在托板上。

圖4 XPS板材升溫過程中的變形過程Fig.4 Deformation process of XPS during heating process

根據熔融溫度范圍可知,XPS板材的初始熔融溫度約為78℃,熔融溫度約為100℃,流動溫度為212℃。

對比 TG-DTG曲線發現,試樣的變形行為與失重沒有對應關系,分析可知試樣是受熱熔融后進行的分解,過程中試樣有熔融、流動現象,能傳播火焰,具有很大的加速火蔓延隱患。

3 結論

(1)XPS板材在室溫～700℃有3個明顯的失重階段,試樣在200℃后開始分解,失重速率在435℃達到最大值,為1.6%/min;

(2)XPS板材的受熱過程為先由固相到液相再到氣相,在熔融后繼續發生分解,分解產物主要是有機物;

(3)XPS板材試樣是受熱熔融后進行的分解。其初始熔融溫度約為78℃,熔融溫度約為100℃,流動溫度為212℃。試樣的變形行為與失重沒有對應關系;

(4)XPS板材一旦受火燃燒,其受熱后產生的熔滴是火勢蔓延和傳播的主要途徑。

[1] 王 勇.中國擠塑聚苯乙烯(XPS)泡沫塑料行業現狀與發展趨勢[J].中國塑料,2010,24(4):12-16.

[2] 吳德茂.談建筑材料與防火[J].新型建筑材料,1995,(6):6-11.

[3] 熊方勛,吳少華,林偉剛.應用 TG-FTIR研究鶴崗煙煤的熱解特性[J].電站系統工程,2006,22(5):26-28.

Study on the Heating Procedure of Extruded Polystyrene

WANG Zhaojun,SUN Shibing,TIAN Yingliang,CHEN Chao
(College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

The pyrolysis characteristics of extruded polystyrene(XPS)was studied using combined analysis of thermogravimetry and Fourier transform infrared spectrometry(TG-FTIR).It showed that the initial melt temperature was about 78℃,the melt temperature was 100℃,the melt flow temperature was 212℃.Thermogravimetric rate of XPS was accelerated at temperatures between 408 and 452℃.The max weight loss rate of 1.6%/min was observed at 435℃.

extruded polystyrene;melting temperature;flow temperature;pyrolysis

TQ328.4

B

1001-9278(2011)03-0049-03

2010-11-22

北京市自然科學基金資助項目(2112004)

聯系人,wangzhaojun@emails.bjut.edu.cn