基于織物分子層面的電弧燃爆破壞機理

徐韻揚 ,劉婉婉 ,龍嘯云 ,王敏君 ,李 莉

(1.杭州市質量技術監督檢測院,浙江 杭州 310019;2.南通大學,江蘇 南通 226019)

電弧是一種氣體急劇放電現象,通常在1 s內能釋放出巨大的能量,電弧燃爆對人體造成的危害是其他燃爆的3～4倍[1]。電弧事故難以預測,尤其是電力作業人員發生電弧事故的概率更大,為減少電弧事故造成的傷害,電弧防護產品成為關鍵[2-3]。目前國內防電弧面料開發尚處于起步階段,原因在于對電弧破壞機理及防電弧機理缺乏深入研究,防電弧面料關鍵參數處于摸索階段。有關防電弧面料防護性能的研究主要有:南通大學李俠等對電弧燃爆后織物外觀和熱重分析的研究[4]、朱雯等關于電弧傷害機理的研究[5]。從分子層面開展電弧破壞機理的研究,可以更加深入發現電弧破壞機理,進而為防電弧面料開發提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

芳綸1313織物;芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物;芳綸1414織物(陜西省紡織科學研究院)。

Thermo Fisher Nicolet iS 10傅里葉變換紅外光譜儀(賽默飛世爾科技公司);Vario EL Cube Elemental Analysis元素分析儀(德國Elementar公司)。

1.2 電弧閃爆試驗

電弧燃爆試驗數據委托加拿大Kinectrics公司高電流實驗室完成,試驗參數見表1。

表1 電弧燃爆參數

2 結果與討論

2.1 電弧燃爆前后紅外光譜分析

將電弧燃爆前后的織物在400～4 000 cm-1的波數范圍內以2 cm-1的分辨率掃描32次獲得紅外光譜曲線(見圖1～3),并對差異進行解析,其中圖1～3中a均為各織物燃爆前的原始光譜曲線。

圖1 芳綸1313織物在不同電弧能量作用后的紅外光譜

圖1為電弧燃爆前后芳綸1313織物的紅外光譜圖。芳綸1313纖維的特征吸收峰主要有波數為3 310 cm-1的酰胺N—H 伸縮振動,1 646 cm-1的酰胺Ⅰ型雙吸收峰(羰基C=O 伸縮振動),1 526 cm-1的酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ型雙吸收峰(O=C—N、N—H 的變形耦合振動),1 400 cm-1的C—O 非對稱伸縮振動吸收峰,1 239 cm-1的苯環C—H 剪式振動吸收峰,780 cm-1的3個相鄰氫的面外彎曲振動吸收峰,以及680 cm-1的酰胺Ⅲ型(O=C—N 面內彎曲振動)。

對電弧作用后的光譜曲線b、c、d、e、f和a比較進行解析。隨著電弧能量增加,3 310 cm-1的酰胺N—H 峰、1 646 cm-1的酰胺鍵Ⅰ型羰基C=O 雙峰、1 526 cm-1的酰胺鍵Ⅱ型羰基C=O 雙峰、1 400 cm-1的C—O 非對稱伸縮振動吸收峰、1 239 cm-1的苯環C—H 剪式振動吸收峰、780 cm-1的3個相鄰氫的面外彎曲振動吸收峰和680 cm-1的酰胺Ⅲ型吸收峰均出現逐漸減弱現象,由此表明芳綸1313大分子鏈上的酰胺基C=O、N—H 鍵和苯環的C—H 鍵發生斷裂和分解,說明芳綸1313纖維在入射能量強度增加下發生熱降解程度增加。

圖2為電弧燃爆前后芳綸1313/阻燃黏膠織物紅外光譜圖。芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物的吸收峰主要有波數為3 298 cm-1的酰胺N—H 伸縮振動,1 646 cm-1的酰胺鍵Ⅰ型(羰基C=O 伸縮振動)、1 527 cm-1的酰胺鍵Ⅱ型(N—H 和C—N 振動耦合),1 239 cm-1的苯環C—N 伸縮振動峰以及997 cm-1和850 cm-1的苯環搖擺振動、變曲振動及對稱伸縮振動峰。

圖2 芳綸1313/阻燃黏膠織物燃弧前后的紅外光譜

對電弧作用后的光譜曲線b、c、d、e、f和a比較進行解析。電弧燃爆后波數為997 cm-1的苯環上=C—H 剪式振動吸收峰逐漸減弱至消失,波數為3 298 cm-1的酰胺N—H 峰和1 646 cm-1的酰胺鍵Ⅰ型羰基C=O 峰強度逐漸減弱,1 239 cm-1的苯環C—N 伸縮振動峰和997 cm-1的苯環搖擺振動、變曲振動及對稱伸縮振動峰未見明顯減弱現象,說明芳綸1313/阻燃黏膠混紡聚合物在電弧閃爆下部分發生熱降解。

圖3為電弧燃爆前后芳綸1414織物的紅外光譜圖。芳綸1414纖維的特征吸收峰主要有波數為3 292 cm-1的酰胺N—H 伸縮振動、1 639 cm-1的酰胺Ⅰ型單吸收峰(羰基C=O 伸縮振動)、1 540 cm-1的酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ型雙吸收峰(1540、1 508 cm-1)(O=C—N、N—H 的變形耦合振動),1 300 cm-1的酰胺Ⅲ型(O=C—N 變形耦合振動),820 cm-1的苯環C—H 變形振動(對位二取代)及650 cm-1的酰胺Ⅲ型(O=C—N 面內彎曲振動)。

圖3 芳綸1414織物在不同電弧能量作用后的紅外光譜

對電弧作用后的光譜曲線b、c、d、e、f和a比較進行解析。隨著電弧能量的增加,波數為3 292 cm-1的酰胺N—H 峰、1 639 cm-1的酰胺鍵Ⅰ型羰基C=O峰和820 cm-1的苯環上C—H 變形振動吸收峰逐漸減弱,其他吸收峰未見明顯破壞,說明芳綸1414聚合物在電弧閃爆下逐步發生熱降解。

2.2 電弧閃爆對防電弧織物組成元素的影響

對電弧作用前后的試樣中各元素含量進行分析,3種織物在不同入射能量電弧燃爆下各元素含量具體的變化情況見表2～4。

表2 芳綸1313織物燃弧前后的元素含量

從表2結果可知,未受電弧作用的芳綸1313織物C元素含量為66.03%;隨著電弧能量的增加,C 元素含量微量增加,當電弧能量為13.4 cal/cm2時,C 元素含量最高為65.81%,這表明芳綸1313織物在能量為4.8 cal/cm2時已經炭化完全。所有樣品的N、H 元素含量接近,這可能是因為芳綸1313織物在低入射能量值條件下已經受熱分解達到了最大程度,隨著入射能量的增加,N、H 含量不再變化。

通過對C/N 與C/H 原子比的計算和比較分析得出,隨著電弧能量的增加,纖維的C/H 原子比和C/N原子比均無明顯變化。

從表3可知,未受電弧作用的芳綸1313/阻燃黏膠織物C元素含量為52.36%;隨著入射能量的增加,C元素含量逐漸增加,當電弧能量為11.9 cal/cm2時,C元素含量最高,質量分數為62.5%,這表明芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物在電弧的高熱與高強沖擊波下發生了炭化,且隨著入射能量的增加,炭化程度加深。所有樣品的H 元素含量接近,這可能是因為芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物在熱降解過程中,大分子鏈上的酰胺基鍵發生大量斷裂分解,只產生了少量的水。隨著入射能量的增加,N 元素含量逐漸增加,這可能是因為材料受熱分解時生成了大量多孔炭層,此層難燃隔氧,卻吸附了空氣中少量的N2。

表3 芳綸1313/阻燃黏膠織物燃弧前后的元素含量

對C/N 與C/H 原子比進行計算和比較分析。結果顯示:隨著電弧能量的增加,纖維的C/H 原子比逐漸增加,C/N 原子比逐漸降低,這表明芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物主要發生了炭化。

表4顯示,未受電弧作用的芳綸1414織物C元素含量為66.29%;隨著電弧能量的增加,C 元素含量逐漸增加,當電弧能量為30.9 cal/cm2時,C 元素含量最高,達到70.21%。所有樣品的N、H 元素含量接近,表明芳綸1414織物在熱降解過程中主要發生了炭化脆化。

表4 芳綸1414織物燃弧前后的元素含量

通過對C/N 與C/H 原子比進行計算和比較分析得出,隨著電弧能量的增加,纖維的C/H 原子比和C/N 原子比均逐漸增加。

3 結論

(1)織物在不同入射能量的電弧作用下均發生熱降解,但熱降解的化學鍵不同,程度不同。電弧燃爆對織物分子的破壞從高吸收波長往低吸收波段逐漸進行熱降解,分子中酰胺鍵Ⅰ型羰基C=O 峰、酰胺鍵Ⅱ型N—H 峰和苯環C—H 剪式振動吸收峰等首先被破壞。

(2)織物在不同入射能量的電弧作用下均發生炭化,隨著入射能量的增加,織物中C 元素含量均增加,但增加量不同,主要是因為不同成分織物的分子結構不同,受熱炭化呈現形式不同。