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核材料运输容器中使用的冲击缓解和阻燃材料

由Alan G. Pagni

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摘要

本研究的目的是探讨通用塑料放射性材料包装系统有效性的关键机制,并将最新的研究成果应用于改进。可预测的失效机制已被证明对作为一种减轻影响的材料的最佳效果非常重要。在我们的系统中建立了一种用于抑制界面间能量转移的典型压溃响应。然而,先前的研究结果表明,当通用塑料系统与替代品进行比较时,最显著的区别特征是其独特的膨胀性能。2manbetx官方网站在模拟事故测试中,当样品容器被损坏,然后燃烧时,材料表现出与膨胀相关的膨胀的自我修复能力。这提供了气相火焰抑制,凝聚相火焰/热堵塞,以及通过关闭裂缝造成的模拟损伤缺氧。在这项研究中,我们更深入地探索了膨胀的机制,并利用这些原则开发新的系统。本文介绍了两种通过优化膨胀来提高阻燃性能的新系统。

介绍

2manbetx官方网站总塑料为自1971年以来为放射性物质运输系统提供了包装材料。这些系统在该领域的模拟和记录事故中的崩溃和火灾情景中有效记录。[1]临界给本申请是这些专门的聚氨酯配方的热,机械(物理),和阻燃性能。虽然物理和热性质得到很好的理解,但最近的阻燃机制仍然是难以捉摸的。

这些材料产生阻燃特性的吹动机理已被证明在竞争系统中区分。除了常规指定的阻燃量子 - 灭火时间,烧伤区域,烧伤等,动态,膨胀和胎儿的流体特征也表现出自我愈合的独特能力,在模拟崩溃的情况下然后火焰测试,用于关闭空气通风口并有助于熄灭火焰。[3]在这种特殊情况下,膨胀被理解为由热/火焰引起的炭化阶段的膨胀。因此,通用塑料公司并没有尝试设计重量轻、吸收冲击、分解温度极高的材料,而是设计了受控分解的材料。图1是一个膨胀模型,大致描述了化学过程。注意与“未加工材料”部分相比的显著扩展。

图1:型膨胀的示意图。热解是在缺氧条件下热化学分解的术语,其中较大分子分解成较小的碳富含物种,导致炭/焦油样形成[4]。

膨胀系统的有效性在于他们一次执行几件事的能力。在化学水平发生的变化是复杂的,但相对最近的发现具有

允许我们绘制一个充足的主要化学转换图片。[6,8]膨胀系统含有多种专有添加剂和反应物中的任何一种,但无机酸源对催化剂均为必不可少的,并参与膨胀CHAR相的合成中的关键化学步骤。图2显示了用于炭层和惰性气体的提出的合成途径。

图2:用于吹动产品的建议路线。如果不同时,在快速连续中发生分解和聚合。[8]

随着材料在从火焰接触加热时在温度下升高时,吹动在通常高于300℃的系统特异性温度下开始。在该温度范围内

酸开始催化聚合物主链的脱水和随后的热解缩小,导致芳族化和石墨化。[8]虽然催化聚合物的击穿,但无机酸(在这种情况下磷酸盐)也开始参与交联反应,其中将通过柔性P-O-C键连接的石墨酸热解产物。这些转化的产品的气态用作其他易燃气体的不易燃稀释剂,以及用于膨胀细胞焦炭相的发泡剂。

这主要是一种冷凝相机制(不是气体),但存在气相机制的证据。PO•从炭层的种类发展的物种充当气相热解和燃烧的自由基机制的终止子。这在图3中示出。在聚合物的降解期间,在聚合物骨架完全热解的自由基机制的降解期间,在冷凝阶段也抑制了类似的机制。最终结果是抑制燃烧/热解,同时还催化Char阶段的合成和膨胀,其将易燃分解产物固定到Char基质中。[7,8]

图3:上图为所提出的气相机理。重点是[7]的PO•和HPO•淬火气相中的H•、HO•和H2物种。

Char相由由原始聚合物骨架的柔性跨越桥接的结晶大分子多芳族叠层组成,所有这些都通过磷酸酯基团进一步连接在一起。无定形相(柔性连杆)必须足够大于封装结晶相,使得焦炭将是足以扩张和流动的流体。它必须表现出最佳的粘弹性,使得Char层不会滴水,但是将容纳不断变化的气体的封装,导致蜂窝蜂窝蜂窝相位。图6中示出了膨胀系统的粘度与温度与温度的曲线图。注意窄温度范围内的粘度显着增加。CHAR相的流变和机械特性通常是在制定膨胀系统时最重要的性质。提高焦炭的热稳定性,最大​​化膨胀率,修饰或稳定非晶相的骨架,或降低膨胀开始的温度。[2,8]

图4:以上是CHAR阶段的建议结构。六边形簇是多芳族结晶结构域,并且连接它们的基团是柔性连杆。[1]

膨胀系统在最早阶段中断聚合物的自持续燃烧I.。热降解导致气相燃料的演变。ChOr相的合成将这些新生燃料掺入Char基质中。Char相的膨胀和流动通过作为物理屏障而减缓质量和热传递,并通过在其合成中使用热解产物。如果未掺入CHAR相,这些热解产品中的大部分将进一步分解为易燃气体。[2,8]

膨胀材料的两步或多步分解是一个重要特征。这可以通过热量分析(图5)和流变分析来量化(图6)。图5和6中所示的两个步骤处理描述于下面的编号中。

  1. 第一步由热解分解组成,在那里我们看到了初始质量损失。这在某个系统特定温度之前进行,在该系统的特定温度下,在合成和扩展的Char相时,点分解在大幅度减慢。质量损失率降低,炭的粘度增加。
  2. 第二步是通过增加质量损失率和粘度降低而在较高温度下的焦炭的分解。在适当配制的膨胀型系统中,这最后的分解步骤不会产生足够的燃料来维持火焰。[7,8]

图5:以上是型号TGA测试,显示质量与温度。膨胀系统是PA 66-GF / PR。PA 66-GF / PR与PA 66-GF的单步分解清零.PA 66-GF的单步分解。[7]

图6:以上显示了粘度与温度的3D图。vs.时间。该图中的关键点是,在第一个分解步骤之后的粘度下的Char相增加,然后随着它进入的第二分解步骤而大大降低,在这种情况下在大约400℃下。[2]

自持火焰需要保持反应物的最小通量。这是为了提供一个足够的放热来持续地击穿,并在一个正反馈循环中提供反应物。这种通量可以通过HRR(热释放率)间接测量,这就是为什么HRR比THR(总热释放率)更有用的原因。一种材料是否会自我熄灭,即使不是完全取决于HRR,也在很大程度上取决于它。热流通量与HRR和THR的对比实验,特别关注表观半焦势垒,强烈表明,HRR几乎完全是半焦相物理势垒效应的函数。这表明,配方技术应以改善焦炭本身的物理/流变性能为目标,而不是直接抑制火焰或提高分解温度。事实上,在较低温度下开始碳化的膨胀系统通常更有效地降低了自熄时间和HRR曲线,这进一步证明了设计分解的有效性高于分解阻力。[8]

在以下部分中,我们描述了两种系统,该系统通过改变励磁机构的不同部件来改善阻燃性。材料A是一般塑料的标准系统,2manbetx官方网站材料B和C是实验系统。我们采用锥形量热法测量热释放和热重分析(TGA)以测量质量损失与时间(分解率)。

材料和方法

这些分析使用了一个TA Q500 TGA分析模块,配备了自动取样器和Thermal Advantage 5.4.0版本的Windows软件。用于这些分析的TGA条件包括在40°C的平衡步骤和在10°C/min至950°C的后续斜坡。分析是在大气中进行的。热释放实验是使用一个定制的锥形量热计在辐射热流为3.5瓦特/cm2进行的。

结果与讨论

配制材料B通过使用专有的矿物硅酸盐和低密度玻璃材料来增加无机材料的浓度。目前使用的标准无机酸复合物浓度也增加。靶向效果是通过升高的脱水催化增加炭的稳定性,增加ChOr相位内的柔性分支点的数量,并通过产生有机矿物 - 硅磷酸络合物来加强柔性分支点。较强的分支点将导致柔性粘合剂的裂殖减少,这对炭的柔性相的稳定性至关重要。该系统也是一种非分解句法系统,其本质上含有明显较高的无机非可燃材料,这应该改善阻燃性,由于可燃材料的降低。

配制物质C以掺入不同的无机酸络合物,多尿剂添加剂和不同类型的矿物硅酸盐而不是材料B.该配方中的靶向效果为(1)通过柔性分支点的数量增加使用不同,更有效的无机酸复合物(2)在柔性分支点(3)的产生中使用另外的催化剂/反应物(3)添加更多的发泡剂以增加炭相膨胀的速率,以及(4)加强柔性分支通过有机矿物 - 硅磷酸硅络合物,可以减少炭的柔性相中键的键。该制剂靶向每个已知的方法,以产生更大的巨大,更难度和更热稳定的CHAR相。

在下面的TGA(图7)所有三个系统都表现出两步分解,如引言中所述。系统C在第一个步骤中表现出显着较低的分解,在大气损失率的早期降低,并且在第2步期间的分解速度较慢。这表明更快速的焦炭膨胀和更稳定的巨型炭相位。仅在700°C以上的较高温度下,它会分解为物质B的低于肿块,这将是由于材料B的更高的非象征性,无机含量。

图7:以上是每个系统覆盖的TGA图。

热释放实验与TGA的结果一致,但更为明显。材料A和B表现出相似的特性,但在HRR(热释放率)上略有差异,在THR(总热释放率)上的差异可以忽略不计。材料C显示,在整个测试期间,HRR和THR均显著降低。

两种配方之间的差异是双重的。我们不仅使用旨在通过不同的各自机制增强Char阶段的不同成分,但材料C针对Char阶段的几个重点特征,导致更大,更快地扩展,更稳定的Char阶段。如两种分析方法所示,材料B的配方变化不会显着改善其阻燃性。这与材料C形成鲜明对比,这产生了非常显着的改进。

结论

毛动力的利用证明了将阻燃性掺入刚性聚氨酯泡沫系统中的有效方法。这是通过设计的设计的降解来实现,其中加热聚合物被细分,然后随后合成成扩张的细胞壳相。在Char相的合成期间,将易燃分解产物固定到聚合物基质中,并且惰性气体产物被进化,两者都用于膨胀炭相并稀释作为燃料的任何易燃气体。然后,膨胀的Char阶段用作防止质量和传热的物理屏障,所有这些都可以组合以产生自熄材料。该机制很复杂,为试图设计改进的人提供许多挑战。在这种情况下,我们成功地进行了一种旨在增强焦炭相的若干方面的配方方法:新的无机酸复合物降低了炭形成的起始温度,矿物硅酸盐稳定了炭的结构,并且发泡剂加速了膨胀炭。由此产生的材料呈现了一个新的技术平台来构建。