基于織物分子層面的電弧燃爆破壞機(jī)理

徐韻揚(yáng) ,劉婉婉 ,龍嘯云 ,王敏君 ,李 莉

(1.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院,浙江 杭州 310019;2.南通大學(xué),江蘇 南通 226019)

電弧是一種氣體急劇放電現(xiàn)象,通常在1 s內(nèi)能釋放出巨大的能量,電弧燃爆對(duì)人體造成的危害是其他燃爆的3～4倍[1]。電弧事故難以預(yù)測(cè),尤其是電力作業(yè)人員發(fā)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(hù)產(chǎn)品成為關(guān)鍵[2-3]。目前國(guó)內(nèi)防電弧面料開(kāi)發(fā)尚處于起步階段,原因在于對(duì)電弧破壞機(jī)理及防電弧機(jī)理缺乏深入研究,防電弧面料關(guān)鍵參數(shù)處于摸索階段。有關(guān)防電弧面料防護(hù)性能的研究主要有:南通大學(xué)李俠等對(duì)電弧燃爆后織物外觀和熱重分析的研究[4]、朱雯等關(guān)于電弧傷害機(jī)理的研究[5]。從分子層面開(kāi)展電弧破壞機(jī)理的研究,可以更加深入發(fā)現(xiàn)電弧破壞機(jī)理,進(jìn)而為防電弧面料開(kāi)發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)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(xué)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(guó)Elementar公司)。

1.2 電弧閃爆試驗(yàn)

電弧燃爆試驗(yàn)數(shù)據(jù)委托加拿大Kinectrics公司高電流實(shí)驗(yàn)室完成,試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電弧燃爆參數(shù)

2 結(jié)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(shù)范圍內(nèi)以2 cm-1的分辨率掃描32次獲得紅外光譜曲線(見(jiàn)圖1～3),并對(duì)差異進(jìn)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(shù)為3 310 cm-1的酰胺N—H 伸縮振動(dòng),1 646 cm-1的酰胺Ⅰ型雙吸收峰(羰基C=O 伸縮振動(dòng)),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(dòng)),1 400 cm-1的C—O 非對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰,1 239 cm-1的苯環(huán)C—H 剪式振動(dòng)吸收峰,780 cm-1的3個(gè)相鄰氫的面外彎曲振動(dòng)吸收峰,以及680 cm-1的酰胺Ⅲ型(O=C—N 面內(nèi)彎曲振動(dòng))。

對(duì)電弧作用后的光譜曲線b、c、d、e、f和a比較進(jìn)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(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰、1 239 cm-1的苯環(huán)C—H 剪式振動(dòng)吸收峰、780 cm-1的3個(gè)相鄰氫的面外彎曲振動(dòng)吸收峰和680 cm-1的酰胺Ⅲ型吸收峰均出現(xiàn)逐漸減弱現(xiàn)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(huán)的C—H 鍵發(fā)生斷裂和分解,說(shuō)明芳綸1313纖維在入射能量強(qiáng)度增加下發(fā)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(shù)為3 298 cm-1的酰胺N—H 伸縮振動(dòng),1 646 cm-1的酰胺鍵Ⅰ型(羰基C=O 伸縮振動(dòng))、1 527 cm-1的酰胺鍵Ⅱ型(N—H 和C—N 振動(dòng)耦合),1 239 cm-1的苯環(huán)C—N 伸縮振動(dòng)峰以及997 cm-1和850 cm-1的苯環(huán)搖擺振動(dòng)、變曲振動(dòng)及對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰。

圖2 芳綸1313/阻燃黏膠織物燃弧前后的紅外光譜

對(duì)電弧作用后的光譜曲線b、c、d、e、f和a比較進(jìn)行解析。電弧燃爆后波數(shù)為997 cm-1的苯環(huán)上=C—H 剪式振動(dòng)吸收峰逐漸減弱至消失,波數(shù)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(qiáng)度逐漸減弱,1 239 cm-1的苯環(huán)C—N 伸縮振動(dòng)峰和997 cm-1的苯環(huán)搖擺振動(dòng)、變曲振動(dòng)及對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰未見(jiàn)明顯減弱現(xiàn)象,說(shuō)明芳綸1313/阻燃黏膠混紡聚合物在電弧閃爆下部分發(fā)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(shù)為3 292 cm-1的酰胺N—H 伸縮振動(dòng)、1 639 cm-1的酰胺Ⅰ型單吸收峰(羰基C=O 伸縮振動(dòng))、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(dòng)),1 300 cm-1的酰胺Ⅲ型(O=C—N 變形耦合振動(dòng)),820 cm-1的苯環(huán)C—H 變形振動(dòng)(對(duì)位二取代)及650 cm-1的酰胺Ⅲ型(O=C—N 面內(nèi)彎曲振動(dòng))。

圖3 芳綸1414織物在不同電弧能量作用后的紅外光譜

對(duì)電弧作用后的光譜曲線b、c、d、e、f和a比較進(jìn)行解析。隨著電弧能量的增加,波數(shù)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(huán)上C—H 變形振動(dòng)吸收峰逐漸減弱,其他吸收峰未見(jiàn)明顯破壞,說(shuō)明芳綸1414聚合物在電弧閃爆下逐步發(fā)生熱降解。

2.2 電弧閃爆對(duì)防電弧織物組成元素的影響

對(duì)電弧作用前后的試樣中各元素含量進(jìn)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(jiàn)表2～4。

表2 芳綸1313織物燃弧前后的元素含量

從表2結(jié)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(dāng)電弧能量為13.4 cal/cm2時(shí),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(shí)已經(jīng)炭化完全。所有樣品的N、H 元素含量接近,這可能是因?yàn)榉季]1313織物在低入射能量值條件下已經(jīng)受熱分解達(dá)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(guò)對(duì)C/N 與C/H 原子比的計(jì)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(wú)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(dāng)電弧能量為11.9 cal/cm2時(shí),C元素含量最高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qiáng)沖擊波下發(fā)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?yàn)榉季]1313/阻燃黏膠混紡織物在熱降解過(guò)程中,大分子鏈上的酰胺基鍵發(fā)生大量斷裂分解,只產(chǎn)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?yàn)椴牧鲜軣岱纸鈺r(shí)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(duì)C/N 與C/H 原子比進(jìn)行計(jì)算和比較分析。結(jié)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(fā)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(dāng)電弧能量為30.9 cal/cm2時(shí),C 元素含量最高,達(dá)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(guò)程中主要發(fā)生了炭化脆化。

表4 芳綸1414織物燃弧前后的元素含量

通過(guò)對(duì)C/N 與C/H 原子比進(jìn)行計(jì)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(jié)論

(1)織物在不同入射能量的電弧作用下均發(fā)生熱降解,但熱降解的化學(xué)鍵不同,程度不同。電弧燃爆對(duì)織物分子的破壞從高吸收波長(zhǎng)往低吸收波段逐漸進(jìn)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(huán)C—H 剪式振動(dòng)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(fā)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?yàn)椴煌煞挚椢锏姆肿咏Y(jié)構(gòu)不同,受熱炭化呈現(xiàn)形式不同。