空客320貨艙襯板復(fù)合材料的熱解和燃燒特性

賈旭宏 楊曉光 徐松濤 馬俊豪 薛楊武

（中國民用航空飛行學(xué)院民航安全工程學(xué)院，廣漢 618307）

文 摘 使用熱重分析儀和錐形量熱儀在相同條件下分析對比兩種試驗(yàn)材料空客320貨艙襯板（玻璃纖維/酚醛樹脂）和3240 玻纖板-FR4（玻璃纖維/環(huán)氧樹脂）的熱解和燃燒特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：空客320 貨艙襯板和3240 玻纖板-FR4 的熱解分為4 個和3 個階段，貨艙襯板的初始熱分解溫度、點(diǎn)燃時間及燃燒時長均小于3240 玻纖板-FR4。3240 玻纖板-FR4 的有煙時間、產(chǎn)煙率（RSR）及總產(chǎn)煙量（TSR）大于貨艙襯板，且產(chǎn)煙率（RSR）及總產(chǎn)煙量（TSR）分別是貨艙襯板的2 倍、3.45 倍；3240 玻纖板-FR4 的熱釋放速率（HRR）及總熱釋放量（THR）大于貨艙襯板，且熱釋放速率峰值（pk-HRR）及總熱釋放量（THR）分別是貨艙襯板的1.47 倍、1.94倍。故空客320貨艙襯板在火災(zāi)發(fā)生后對人的生命安全及飛機(jī)的運(yùn)行安全危險(xiǎn)性小。

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國航空航天事業(yè)發(fā)展迅速，航空貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量的增長速度大于客運(yùn)周轉(zhuǎn)量的增長速度。由于貨艙起火時而發(fā)生，所以我國民航行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MH/T 6086—2012 要求貨艙襯板材料的耐燒穿時間必須大于5 min，以提供足夠的時間啟動滅火系統(tǒng)［1］，用不同材料就會導(dǎo)致預(yù)期之外的火災(zāi)發(fā)生［2］。玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料因其優(yōu)良的性能被廣泛用于航空航天、軌道交通等領(lǐng)域。在飛機(jī)艙內(nèi)不同位置材料對成本、煙霧量及耐火性的要求不同，環(huán)氧樹脂體系在早期廣泛應(yīng)用于貨艙襯板，酚醛樹脂體系由于優(yōu)良的耐火性及低煙排放開始取代環(huán)氧樹脂。因此，對復(fù)合材料性能要求也不斷提高［3-6］。

張鵬飛等［7］根據(jù)FAR 25.853飛機(jī)材料的燃燒實(shí)驗(yàn)方法，測試飛機(jī)結(jié)構(gòu)物質(zhì)（玻璃纖維/酚醛樹脂、碳纖維/環(huán)氧樹脂）的燃燒特性，相比于碳纖維/環(huán)氧樹脂，玻璃纖維/酚醛樹脂的阻燃性能更好。杜宇等［8］和李勝等［9］通過合成一種阻燃環(huán)氧樹脂，有效地評估阻燃劑對環(huán)氧樹脂的燃燒性能，是否產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。CHEN 等［10］采用錐形量熱儀對玻璃纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料的著火及燃燒特性開展了實(shí)驗(yàn)研究，得出了質(zhì)量損失率（MLR）和熱釋放率峰值（pk-HRR）與熱通量轉(zhuǎn)化點(diǎn)火時間的線性關(guān)系。黃娜等［11］研究了氨酚醛樹脂的熱解反應(yīng)下，改變升溫速率對復(fù)合材料的表觀活化能的影響。

貨艙的火災(zāi)危險(xiǎn)嚴(yán)重影響著飛機(jī)的安全運(yùn)行。本試驗(yàn)用熱重分析儀和錐形量熱儀研究典型貨艙壁板材料的熱解和燃燒特性，降低火災(zāi)發(fā)生的潛在危險(xiǎn)，為我國研發(fā)用于飛機(jī)貨艙襯板的阻燃材料指明方向及防火滅火提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

空客320 貨艙襯板（玻璃纖維/酚醛樹脂）；3240玻纖板-FR4（玻璃纖維/環(huán)氧樹脂）。

1.2 試驗(yàn)儀器

TGA 4000 型熱重分析儀，美國PerkinElmer 公司；CCT型錐形量熱儀，中國莫帝斯公司。

1.3 試驗(yàn)制備

材料自身厚度限制，燃燒測試樣品尺寸為100 mm×100 mm×1 mm 的2 種樣品做3 組平行試驗(yàn)；熱性能分析稱重樣品大約10 mg

1.4 試驗(yàn)方法

（1）熱解特性：用熱重分析法在空氣環(huán)境，溫度范圍30～800 ℃，升溫速率10 ℃/min，取樣品大約10 mg

（2）燃燒分析：用錐形量熱儀在輻射強(qiáng)度為35 kW/m2下進(jìn)行測定，分析對比兩種材料的平均點(diǎn)燃時間、熱釋放速率、總熱釋放量、產(chǎn)煙速率、總煙釋放量。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱解特性

樹脂基復(fù)合材料在一定熱流條件下持續(xù)受熱時，首先發(fā)生表層樹脂熱分解，釋放出小分子氣體，生成炭化層、熱解層，其樹脂的裂解，向外引射分解氣體，對炭層起到一定保護(hù)作用［12］。

由圖1可知，酚醛樹脂基體的初始熱分解溫度是251.2 ℃。該材料在251.2～384.6 ℃和385～574.6 ℃均存在明顯熱失重，由DTG 曲線得知A1和A2峰值溫度分別為337.7 和541.1 ℃。圖2 可知，空客320 貨艙襯板材料的初始熱分解溫度是131.7 ℃，熱解行為是在連續(xù)失重的情況下發(fā)生的，該失重依次由四個峰D1、D2、D3和D4組成。在131.7～290 ℃下的TG 曲線相對平緩，有輕微重量損失，對應(yīng)的DTG 曲線有兩個熱分解小峰D1和D2，峰值溫度分別為197.1 ℃和282.5 ℃。貨艙襯板材料在290～375 ℃和376～685 ℃均存在明顯熱失重，由DTG 曲線得知D3和D4峰值溫度分別為326.7 和532.2 ℃。這與酚醛樹脂基體熱分解溫度相似。290～375 ℃貨艙襯板材料失重率為5.7%；在376～685 ℃貨艙襯板材料失重率為25.5%，此階段貨艙襯板材料質(zhì)量損失最多，熱分解速率最快，是主要分解階段。根據(jù)TG 曲線得空客320 貨艙襯板材料800 ℃剩余量為67.74%。

由圖3可知，環(huán)氧樹脂基體的初始熱分解溫度是376.8 ℃。該材料在376.8～446.7 ℃和498.1～635.4 ℃均存在明顯熱失重，由DTG曲線得知B1和B2峰值溫度分別為407.1和568.7 ℃。圖4可知，3240玻纖板-FR4材料的初始熱分解溫度是219.2 ℃，熱解行為是在連續(xù)失重的情況下發(fā)生的，該失重依次由三個峰P1，P2和P3組成。材料在352～461.6 ℃和479.4～583.8 ℃均存在明顯熱失重，由DTG曲線得知P1和P2峰值溫度分別為413.1和513.2 ℃。這與環(huán)氧樹脂基體熱分解溫度相似。材料在479.4～583.8 ℃失重率為9.86%；而在219.2～461.6 ℃3240 玻纖板-FR4 材料失重率為17.39%，此階段3240玻纖板-FR4材料質(zhì)量損失最多，熱分解速率最快，是主要分解階段。在615.4～719.8 ℃下的TG曲線相對平緩，有輕微重量損失，根據(jù)DTG曲線有一個熱分解小峰P3，峰值溫度分別為684.9 ℃。根據(jù)TG 曲線得3240 玻纖板-FR4 材料800 ℃剩余量為71.81%。

綜上所述，樹脂基體加入阻燃劑和纖維等能促進(jìn)材料的熱分解，使其初始熱分解溫度降低?？湛?20貨艙襯板和3240玻纖板-FR4復(fù)合材料熱失重過程取決于樹脂基體熱分解行為，因?yàn)椴ＡЮw維的熔化溫度在1 300 ℃左右［13］。

2.2 燃燒特性分析

2.2.1 點(diǎn)燃時間及燃燒時長

點(diǎn)燃時間與燃燒時長是評價(jià)固體材料燃燒性能的重要指標(biāo)［14］。表1 為空客320 貨艙襯板和3240 玻纖板-FR4 復(fù)合材料在熱輻射強(qiáng)度下的點(diǎn)燃時間和燃燒時長。表1 可知：2 種材料在較短時間內(nèi)能夠被點(diǎn)燃，空客320 貨艙襯板相比于3240 玻纖板-FR4 復(fù)合材料的點(diǎn)燃時間和燃燒時長較短。

表1 兩種復(fù)合材料的點(diǎn)燃時間及燃燒時長Tab.1 Ignition time and burning time of two composites

2.2.2 RSR、TSR分析

2種材料在火災(zāi)環(huán)境中持續(xù)受熱分解生成大量的煙氣顆粒和NOx、H2S、CO等有毒氣體，其在貨艙兩側(cè)短時間內(nèi)擴(kuò)散到客艙，危害到乘客人員的生命健康。產(chǎn)煙率（RSR）和總產(chǎn)煙量（TSR）是評估火災(zāi)危害程度的重要參數(shù)。圖5和圖6為空客320貨艙襯板和3240玻纖板-FR4復(fù)合材料在熱輻射強(qiáng)度下的產(chǎn)煙率和總產(chǎn)煙量曲線。圖5可知，2種復(fù)合材料在點(diǎn)燃之后空客320貨艙襯板在42 s到達(dá)產(chǎn)煙率峰值0.015 m2/s，3240玻纖板-FR4在76 s到達(dá)產(chǎn)煙率峰值0.029 m2/s且大約是空客320貨艙襯板的2倍。這是因?yàn)榕c3240玻纖板-FR4（玻璃纖維/環(huán)氧樹脂）相比，空客320貨艙襯板（玻璃纖維/酚醛樹脂）在燃燒熱分解時有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和炭化趨勢，炭層的形成使得可燃裂解產(chǎn)物避免轉(zhuǎn)換成氣體燃料，抑制了聚合物材料的燃燒［15］。由于輻射溫度的持續(xù)作用，使材料處于陰燃狀態(tài)一直會產(chǎn)生煙氣。所以，空客320貨艙襯板和3240玻纖板-FR4分別在29～73和35～144 s持續(xù)產(chǎn)生煙氣，且有煙時間分別是44和109 s。圖6可知，空客320貨艙襯板和3240玻纖板-FR4的總產(chǎn)煙量分別為0.447和1.541 m2，其后者總產(chǎn)煙量是前者的3.45倍。因此，可以看出2種復(fù)合材料開始產(chǎn)煙時間相差6 s，對3240玻纖板-FR4（玻璃纖維/環(huán)氧樹脂）而言，空客320貨艙襯板（玻璃纖維/酚醛樹脂）的有煙時間、產(chǎn)煙率及總產(chǎn)煙量明顯降低。

2.2.3 HRR、THR分析

聚合物燃燒一定會釋放大量的熱量，而熱釋放速率是衡量火災(zāi)危險(xiǎn)性中最重要的單一變量［16］。圖7 和圖8 為空客320 貨艙襯板和3240 玻纖板-FR4 復(fù)合材料在熱輻射強(qiáng)度下的熱釋放速率和總熱釋放量曲線。圖7 可知，2 種復(fù)合材料在點(diǎn)燃之后空客320貨艙襯板在63 s 達(dá)到熱釋放速率峰值（pk-HRR）83.28 kW/m2，3240玻纖板-FR4在83 s達(dá)到熱釋放速率峰值（pk-HRR）122.32 kW/m2且短時間內(nèi)釋放大量熱量，是空客320貨艙襯板的1.47倍。這是因?yàn)?種復(fù)合材料的表面在持續(xù)施加熱輻射溫度的作用下短時間內(nèi)釋放出大量熱量。而對于空客320 貨艙襯板（玻璃纖維/酚醛樹脂）而言，在材料表面熱量的聚集促使溫度升高，內(nèi)部孔隙率隨密度的降低而增高，且酚醛樹脂在熱解過程中會產(chǎn)生大量的炭層，使得熱釋放速率逐漸減少［17］。圖8可知，聚合物燃燒是有焰燃燒和無焰燃燒的一個持續(xù)過程，空客320貨艙襯板和3240 玻纖板-FR4 的總熱釋放量分別為3 981.2和7 726.2 MJ/m2。其后者總熱釋放量是前者的1.94倍。綜上，空客320 貨艙襯板（玻璃纖維/酚醛樹脂）的熱釋放速率峰值、總熱釋放量均少于3240玻纖板-FR4（玻璃纖維/環(huán)氧樹脂）。

3 結(jié)論

（1）空客320 貨艙襯板和3240 玻纖板-FR4 復(fù)合材料在空氣氣氛下熱解過程分別為4 個和3 個階段，且前者的初始分解溫度低于后者。兩種復(fù)合材料的剩余量分別為67.74%和71.81%。

（2）在相同熱輻射強(qiáng)度條件下進(jìn)行火災(zāi)模擬，得出3240 玻纖板-FR4 的產(chǎn)煙率及總產(chǎn)煙量分別是貨艙襯板的2 倍、3.45 倍；3240 玻纖板-FR4 的熱釋放速率峰值及總熱釋放量分別是貨艙襯板的1.47 倍、1.94 倍。通過對比分析有煙時間、RSR、TSR、pk-HRR、THR 結(jié)果表明，空客320 貨艙襯板（玻璃纖維/酚醛樹脂）有很好的低煙霧性、低毒性和耐火性。

（3）相比3240玻纖板-FR4（玻璃纖維/環(huán)氧樹脂）而言，空客320 貨艙襯板（玻璃纖維/酚醛樹脂）在火災(zāi)發(fā)生后對人的生命安全及飛機(jī)的運(yùn)行安全危險(xiǎn)性小。