CN103336021B - 一种材料热分解实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料热分解实验装置，其由氮气气瓶、氧气气瓶、可控气氛实验箱、热分解实验炉、预热空气炉、恒温气氛炉和气体分析系统组成。其中可控气氛实验箱在实验过程中起到控制实验环境的氧浓度作用，预热空气炉起到调节热分解烟气温度作用，恒温气氛炉起到控制热分解烟气保持在一定温度的作用。在本发明中还公开了利用本发明实验装置进行实验的方法。本发明的提供实验装置及方法具有制作成本低、易于操作、实验成本低等优点。本发明的实验装置可以作为研究材料热分解特性，热分解机理，热分解烟气成分、毒性及形成机理的装置使用。

Description

一种材料热分解实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种材料热分解实验装置及实验方法，尤其涉及一种可用于材料热分解行为研究和材料火灾烟气中毒害物质生成机理研究的实验装置及实验方法，属于火灾科学和材料科学技术领域。

背景技术

火灾安全在现代生活中越来越重要，而广泛应用于现代生活中的高分子材料等可燃有机材料已成为引发火灾，特别是城市火灾的建筑火灾的主要着火材料之一，上海11.15大火和央视火灾均是由有机材料造成的，其火灾危险性日益已引起人们的高度关注。对有机材料进行阻燃/防火处理早已是材料领域研究的目标，而认识掌握有机材料燃烧的规律与特点也是多年来火灾科学研究的重要内容。目前我国通常对于建筑材料燃烧过程的研究和分析测试手段通常集中在有机材料燃烧过程的物理变化数据和性质，诸如：点燃难易程度、点燃时间、燃烧时间、熔融滴落、热释放速率、热释放量、烟密度等。以常用有机材料的测试方法为例，通常采用氧指数仪（如GB/T2406）对于试样进行氧指数的测试，从而获得试样燃烧所需的最低氧浓度；通过水平或垂直燃烧测试仪（如GB/T2408）获取试样在一定燃烧条件下火焰蔓延的情况；通过烟密度仪（如GB/T8627）得到试样在一定条件下的产烟情况；通过锥形量热仪获得在模拟良好通风环境下材料燃烧时的热释放和烟释放情况。这些传统的测试方法主要集中于燃烧性能的分析，而忽视了有机材料的燃烧机理、火灾烟气产生机理和燃烧过程中热分解机理及其对燃烧行为的影响的分析。

有机材料燃烧的过程是一个非常复杂的物理化学过程。实际火灾中，有机材料的燃烧过程大致经历受热升温、点燃、火焰传播、燃烧充分发展、火焰熄灭等几个阶段。在以上阶段中有机材料在热作用下不断分解产生各种各样的分解产物，有机材料的热分解/裂解过程及其热分解产物对燃烧过程有着重要影响。因此，材料的热分解特性的研究是分析有机材料燃烧机理的关键。影响有机材料的热分解的环境因素主要是温度和氧浓度。热重分析仪（TGA）在程序控温下测量试样的质量与温度的依赖关系，具有数据重现性好、易操作、成本低等优点，是目前研究有机材料热分解行为的最有效工具。但是，TGA只能在特定的气氛下如：空气、氮气和氩气等进行实验，无法通过变化气氛中的氧浓度来研究材料在不同氧浓度的热分解行为，即利用TGA可以方便研究温度对有机材料热分解特性的影响，但在研究氧浓度的影响方面存在一定不足。因此，需要研发一套能同时研究温度和氧浓度共同影响下有机材料热分解特性的实验装置。

ISO19700和GB20285等标准中已把材料热分解烟气的毒性作为评价材料火灾烟气毒性的重要方法，因此材料热分解烟气的制备装置是评价材料火灾安全性的关键实验设备之一。上述标准中所使用热分解装置实验环境为空气气氛，无法调节实验环境的氧浓度。实际上，氧浓度是影响材料火灾烟气毒性的关键因素之一。目前缺乏在不同浓度下制备材料热分解烟气的实验装置。同时，ISO19700中热分解炉后端没有连接保温或恒温装置，只是将热解气体直接导入气体分析系统中分析，可能会导致热解气温度降低冷凝造成测试不准确或热解气体温度过高进入气体分析系统后造成设备损坏。而GB20285中将热解气稀释后并降至室温，随后导入动物试验箱，虽然可以获得动物染毒试验结果，但无法连接气体分析系统进行热解烟气的成分分析。

总之，目前已有的研究有机材料热分解特性或热分解烟气的实验装置，大多在氮气、空气等单一氧浓度气氛下进行实验，均不能进行不同氧浓度气氛下有机材料热分解实验，并且现有的实验装置还存在其他的缺点。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术存在的问题，提供一种材料热分解实验装置，具有操作简单、实验成本低、数据准确性高和重现性好等优点。与此同时，提供了一种利用该实验装置进行材料热分解实验的方法。本发明适合作为实验装置研究材料的热分解特性及热分解烟气成分及浓度，是研究材料热分解机理及烟气形成机理的有效手段。

为解决上述技术问题，本发明一种材料热分解实验装置，包括热分解实验炉，位于所述热分解实验炉的进气口的管路上连接有一可控气氛实验箱，所述热分解实验炉的出气口依次通过第一截止阀、恒温气氛炉、第二截止阀连接至一气体分析系统，所述第一截止阀和所述恒温气氛炉之间的管路上设有一三通，通过该三通连接有一支路，所述支路上设有一预热空气炉，所述三通与所述预热空气炉之间设有第三截止阀；所述可控气氛实验箱包括氮气进气口、氧气进气口、气体出气口、氮气输送管路和氧气输送管路，所述氮气输送管路和氧气输送管路的进口分别为氮气进气口和氧气进气口，所述氮气输送管路和氧气输送管路的出口并联至所述气体出气口；所述氮气输送管路自氮气进气口至气体出气口依次连接有截止阀J1、流量计L1、过滤器G1、调压阀Y1和压力表P1；所述氧气输送气路上自氧气进气口至气体出气口依次连接有截止阀J2、流量计L2、过滤器G2、调压阀Y2和压力表P2；所述气体出气口连接至热分解实验炉，的进口，在所述气体出气口与热分解实验炉之间的管路上设有顺磁式氧分析仪S；所述热分解实验炉包括带有温控装置的管式炉，所述管式炉的炉腔内设有石英管，所述石英管管径30-60mm，石英管入口与所述可控气氛实验箱的气体出气口相连，所述石英管的出口通过第一截止阀与恒温气氛炉的入口连接，所述石英管内放置有用来放置实验样品的石英舟，所述温控装置的控温范围为0-1000℃；所述预热空气炉、恒温气氛炉和热分解实验炉的结构相同，其中，预热空气炉所带有的温控装置的温度范围为0-300℃，所述恒温气氛炉所带有的温控装置的温度范围为0-200℃。

本发明一种材料热分解实验方法，包括以下步骤：

步骤一、校准可控气氛实验箱的氧浓度；

步骤二、设定实验温度或升温速率；

步骤三、通过设定可控气氛实验箱中气体流量，控制氧浓度在0～50%；

步骤四、维持恒温气氛炉中氮氧混合气的温度在175-185℃；

步骤五、按红外光谱仪或质谱仪的开机规程，开启气体分析系统；

步骤六、将准确称量的待测材料样品放置在石英舟内，然后将石英舟放入热分解实验炉中，开始实验并计时，同时开始气体分析系统的测试；

步骤七、待实验进行至设定时间或气体分析系统检测不到热分解气体时，至此，完成该样品的实验，重复上述步骤二～步骤六，完成所有样品的实验；

步骤八、将装置中的热分解实验炉、预热空气炉和恒温气氛炉降至室温后，关闭整套实验装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过在热分解实验炉的进气口处连接一可控气氛实验箱，通过可控气氛实验箱控制进入热分解实验炉的气流流速及氧浓度，使进入热分解实验炉气体的氧浓度在0-99.9%之间线性可调，实现了在不同氧浓度气氛下进行材料热分解实验。本发明在热分解炉的出气口处分别连接了预热空气炉和恒温气氛炉，通过预热空气炉向恒温气氛炉通入一定流量的热空气，并与热分解炉中进入到恒温气氛炉的热分解烟气混合，使热分解烟气的温度降低至一定温度，混合后的烟气在恒温气氛炉中按设定的温度范围进入气体分析系统。

附图说明

图1是本发明材料热分解实验装置的结构示意图；

图2是图1中所示可控气氛实验箱的内部结构示意图；

图3是利用本发明材料热分解实验装置进行实验的方法流程图；

图4是实施例1最终由气体分析系统测试得到的热分解气体中HCN的浓度曲线图。

图5是实施例2最终由气体分析系统测试得到的热分解气体中CO的浓度曲线图。

图中：1-可控气氛实验箱，2-热分解实验炉，21-石英管，22-管式炉，3-恒温气氛炉，4-预热空气炉，5-截止阀，6-气体分析系统，7-氮气气瓶，8-氧气气瓶，9-空气源，P1、P2-压力表，Y1、Y2-调压阀，G1、G2-过滤器，L1、L2-流量计，J1、J2-截止阀，S-顺磁式氧分析仪。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的实验装置及实验方法进一步详细地描述。

如图1所示，本发明一种材料热分解实验装置，包括热分解实验炉2，位于所述热分解实验炉2的进气口的管路上连接有一可控气氛实验箱1，所述热分解实验炉2的出气口依次通过第一截止阀51、恒温气氛炉3、第二截止阀52连接至一气体分析系统6，所述第一截止阀51和所述恒温气氛炉3之间的管路上设有一三通，通过该三通连接有一支路，所述支路上设有一预热空气炉4，所述三通与所述预热空气炉4之间设有第三截止阀53；所述气体分析系统6包括自动采样泵和能进行连续气体分析的红外光谱仪或质谱仪，所述气体分析系统6通过一三通与第二截止阀52连接，与所述三通连接的一支路与大气相通，所述自动采样泵的采样速率为0～4L/min。

如图2所示，本发明中的所述可控气氛实验箱1包括氮气进气口、氧气进气口、气体出气口、氮气输送管路和氧气输送管路，由氮气气瓶7和氧气气瓶8提供气源，氮气和氧气在可控气氛实验箱1中混合成一定氧浓度的混合气体，所述氮气输送管路和氧气输送管路的进口分别为氮气进气口和氧气进气口，所述氮气输送管路和氧气输送管路的出口并联至所述气体出气口；所述氮气输送管路自氮气进气口至气体出气口依次连接有截止阀J1、流量计L1、过滤器G1、调压阀Y1和压力表P1；所述氧气输送气路上自氧气进气口至气体出气口依次连接有截止阀J2、流量计L2、过滤器G2、调压阀Y2和压力表P2；所述气体出气口连接至热分解实验炉2的进口，在所述气体出气口与热分解实验炉2之间的管路上设有顺磁式氧分析仪S；氮气和氧气分别依次通过截止阀J1、J2，流量计L1、L2，过滤器G1、G2，调压阀Y1、Y2和压力表P1、P2，最终两种气体混合到一起，形成一定氧浓度的混合气体，混合气体的氧浓度通过顺磁氧分析仪S测定。

所述热分解实验炉2包括带有温控装置的管式炉22，所述管式炉22的炉腔内设有石英管21，所述石英管21管径30-60mm，石英管入口与所述可控气氛实验箱1的气体出气口相连，所述石英管21的出口通过第一截止阀51与恒温气氛炉3的入口连接，所述石英管21内放置有用来放置实验样品的石英舟，所述温控装置的控温范围为0-1000℃。

所述预热空气炉4、恒温气氛炉5和热分解实验炉2的结构相同，其中，预热空气炉4所带有的温控装置的温度范围为0-300℃，所述恒温气氛炉5所带有的温控装置的温度范围为0-200℃。所述分解实验炉2、预热空气炉4和恒温气氛炉3的出口均分别由第一、第二和第三截止阀控制气流通过，热分解实验炉2、预热空气炉4和恒温气氛炉3的温度均由带有程序控温的温度控制装置设定和控制。

本发明通过可控气氛实验箱实现了进入热分解实验炉2的气体可为不同氧浓度，通过预热空气炉4和恒温气氛炉3，将热分解烟气的温度控制在175-180℃之间，使进入气体分析系统6的气体温度恒定。其中，氮气优选高纯氮气，氧气优选99.9%纯度以上氧气，所述分解实验炉2、预热空气炉4和恒温气氛炉3中的石英管的管径优选40mm；气体分析系统6优选芬兰GASMET红外光谱仪，运行温度为180℃。

利用上述材料热分解实验装置进行实验的方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤一、打开整套实验装置的电源及控制开关，校准可控气氛实验箱1的氧浓度值，利用纯氧气和氮气分别校准可控气氛实验箱1的氧浓度100%和零点，校准时压力表P1和压力表P2的压力均保持在0.14-0.16Mpa；

步骤二、设定实验温度或升温速率；根据热重分析实验结果，按照下述方式之一设定实验温度：1）温度设置在200～800℃；或2）以5-20℃/min的升温速率从室温升至200～800℃；

步骤三、通过截止阀J1、截止阀J2、调压阀Y1和调压阀Y2调节可控气氛实验箱1的氮气和氧气流量，分别使氮气输送管路上的流量计L1和氧气输送管路上的流量计L2的读数控制在0～10L/min，同时，使流量计L1与流量计L2的读数之和控制在4～20L/min，将压力表P1和压力表P2的压力分别控制在0.14～0.16MPa，设定氧浓度在0～50%，设定该氧浓度的稳定时间为5min。

步骤四、等待热分解实验炉到达上述设定的的实验温度时，依次打开第一截止阀（51）、第二截止阀（52）和第三截止阀（53），通过第二截止阀（52）调节预热空气炉（4）的气体流量，流量范围控制在0-40L/min，同时调节预热空气炉（4）的温度，使恒温气氛炉（3）中的氮氧混合气的温度保持在175-185℃。

步骤五、按红外光谱仪或质谱仪的开机规程，开启气体分析系统6；

步骤六、将准确称量的待测材料样品放置在石英舟内，然后将石英舟放入热分解实验炉2中，开始实验并计时，同时开始气体分析系统6的测试；

步骤七、待实验进行至设定时间或气体分析系统检测不到热分解气体时，至此，完成该样品的实验，重复上述步骤二～步骤六，完成所有样品的实验；

步骤八、将热分解实验炉2、预热空气炉4和恒温气氛炉3的温度分别设置到室温，继续通入氮氧混合气20-60min，直至所述热分解实验炉2、预热空气炉4和恒温气氛炉3的温度均降至室温，依次关闭气体分析系统6、可控气氛实验箱1、预热空气炉4和恒温气氛炉3，关闭第一截止阀51、第二截止阀52和第三截止阀53，断开电源，关闭整套实验装置。

实施例1：以热分解设定温度600℃、气体分析系统运行温度为180℃、实验氧浓度为22.0%、实验样品为聚氨酯泡沫材料为例，用本发明材料热分解实验装置进行实验的步骤如下：

（1）打开整套实验装置的电源及控制开关，校准可控气氛实验箱1的氧浓度值。利用纯氧气和氮气分别校准可控气氛实验箱1的氧浓度100%和零点，打开氮气瓶7，调节进入可控气氛实验箱1的气体压力维持在0.15MPa，流量控制在为10L/min，并保持5min，此时氧浓度数值应为0；关闭氮气瓶7，打开氧气瓶8，调节进入可控气氛实验箱1的气体压力维持在0.15MPa，流量为10L/min，保持5min，此时氧浓度数值应为99.9%。

（2）打开实验装置，设定热分解实验炉温度为600℃；

（3）调节连接可控气氛实验箱1的氮气和氧气流量，使氮氧混合气氧浓度为22.0%，压力表P1和压力表P2的数值保持在0.14-0.16MPa，同时，（通过观察流量计L1和流量计L2的读数）控制混合气流量稳定在4L/min；

（4）等待热分解实验炉到达600℃后，调节预热空气炉4的流量及温度，使最终恒温气氛炉3中的氮氧混合气的温度保持在180℃；

（5）打开气体分析系统6；

（6）将准确称量的0.5455g聚氨酯泡沫样品放置在石英舟内，石英舟放入热分解实验炉中，开始实验，并计时，同时开始气体分析系统的测试及数据采集；

（7）实验进行10min后终止实验，将热分解实验炉、预热空气炉和恒温气氛炉的温度分别设置到室温，继续通入气体直至各实验炉的温度降至室温，关闭实验装置。

图4示出了实施例1热分解气体中HCN的浓度曲线图。

实施例2：以10℃/min升温速率、从30℃升至600℃、气体分析系统运行温度为180℃、实验氧浓度为18%、实验样品为阻燃聚丙烯为例，用本发明材料热分解实验装置进行实验的步骤如下：

（1）校准可控气氛实验箱的氧浓度值。打开氮气瓶7，调节进入可控气氛实验箱1的气体压力维持在0.15MPa，其流量为10L/min，并保持5min，此时氧浓度数值应为0；关闭氮气瓶7，打开氧气瓶8，调节进入可控气氛实验箱1的气体压力维持在0.15MPa，流量为10L/min，保持5min，此时氧浓度数值为99.9%。

（2）打开实验装置，设定热分解实验炉2的起始温度为30℃，升温速率为10℃/min；

（3）调节通入可控气氛实验箱1的氮气和氧气流量，使氮氧混合气氧浓度为18.0%，压力表P1和压力表P2的数值保持在0.14-0.16MPa，（通过观察流量计L1和流量计L2的读数）控制混合气流量稳定在4L/min；

（4）等待热分解实验炉2的温度到达30℃后，调节预热空气炉4的流量及温度，使最终恒温气氛炉3中的氮氧混合气的温度保持在180℃；

（5）打开气体分析系统6；

（6）将准确称量的0.6012g阻燃聚丙烯样品放置在石英舟内，石英舟放入热分解实验炉2中，开始实验，并计时，同时开始气体分析系统的测试及数据采集；

（7）热分解实验炉到达600℃时，继续进行实验1min后终止实验，将热分解实验炉、预热空气炉和恒温气氛炉的温度分别设置到室温，继续通入气体直至各实验炉的温度降至室温，关闭实验装置。

图5示出了实施例2热分解气体中CO的浓度曲线图。

综上，本发明中的可控气氛实验箱1在实验过程中起到控制实验环境的氧浓度作用，预热空气炉4起到调节热分解烟气温度作用，恒温气氛炉4起到控制热分解烟气保持在一定温度的作用。本发明提供的实验装置及方法具有制作成本低、易于操作、实验成本低等优点。本发明实验装置可以作为研究材料热分解特性，热分解机理，热分解烟气成分、毒性及形成机理的装置使用。

尽管上面结合图对发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种材料热分解实验装置，包括热分解实验炉（2），其特征在于：

位于所述热分解实验炉（2）的进气口的管路上连接有一可控气氛实验箱（1），所述热分解实验炉（2）的出气口依次通过第一截止阀（51）、恒温气氛炉（3）、第二截止阀（52）连接至一气体分析系统（6），所述第一截止阀（51）和所述恒温气氛炉（3）之间的管路上设有一三通，通过该三通连接有一支路，所述支路上设有一预热空气炉（4），所述三通与所述预热空气炉（4）之间设有第三截止阀（53）；

所述可控气氛实验箱（1）包括氮气进气口、氧气进气口、气体出气口、氮气输送管路和氧气输送管路，所述氮气输送管路和氧气输送管路的进口分别为氮气进气口和氧气进气口，所述氮气输送管路和氧气输送管路的出口并联至所述气体出气口；所述氮气输送管路自氮气进气口至气体出气口依次连接有截止阀J1、流量计L1、过滤器G1、调压阀Y1和压力表P1；所述氧气输送气路上自氧气进气口至气体出气口依次连接有截止阀J2、流量计L2、过滤器G2、调压阀Y2和压力表P2；所述气体出气口连接至热分解实验炉（2），的进口，在所述气体出气口与热分解实验炉（2）之间的管路上设有顺磁式氧分析仪S；

所述热分解实验炉（2）包括带有温控装置的管式炉（22），所述管式炉（22）的炉腔内设有石英管（21），所述石英管（21）管径30-60mm，石英管入口与所述可控气氛实验箱（1）的气体出气口相连，所述石英管（21）的出口通过第一截止阀（51）与恒温气氛炉（3）的入口连接，所述石英管（21）内放置有用来放置实验样品的石英舟，所述温控装置的控温范围为0-1000℃；

所述预热空气炉（4）、恒温气氛炉（5）和热分解实验炉（2）的结构相同，其中，预热空气炉（4）所带有的温控装置的温度范围为0-300℃，所述恒温气氛炉（5）所带有的温控装置的温度范围为0-200℃。

2.根据权利要求1所述材料热分解实验装置，其特征在于：所述气体分析系统（6）包括自动采样泵和能进行连续气体分析的红外光谱仪或质谱仪，气体分析系统（6）通过一三通与第二截止阀（52）连接，与所述三通连接的一支路与大气相通，所述自动采样泵的采样速率为0～4L/min。

3.一种材料热分解实验方法，其特征在于，采用如权利要求1所述材料热分解实验装置，按照以下步骤：

步骤一、校准可控气氛实验箱（1）的氧浓度；

步骤二、设定实验温度或升温速率；

步骤三、通过设定可控气氛实验箱（1）中气体流量，控制氧浓度在0～50%；

步骤四、维持恒温气氛炉（3）中氮氧混合气的温度在175-185℃；

步骤五、按红外光谱仪或质谱仪的开机规程，开启气体分析系统（6）；

步骤六、将准确称量的待测材料样品放置在石英舟内，然后将石英舟放入热分解实验炉（2）中，开始实验并计时，同时开始气体分析系统（6）的测试；

步骤七、待实验进行至设定时间或气体分析系统检测不到热分解气体时，至此，完成该样品的实验，重复上述步骤二～步骤六，完成所有样品的实验；

步骤八、将装置中的热分解实验炉（2）、预热空气炉（4）和恒温气氛炉（3）降至室温后，关闭整套实验装置。

4.根据权利要求3所述材料热分解实验方法，其中，步骤一包括打开整套实验装置的电源及控制开关，校准可控气氛实验箱（1）的氧浓度值，利用纯氧气和氮气分别校准可控气氛实验箱（1）的氧浓度100%和零点，校准时压力表P1和压力表P2的压力均保持在0.14-0.16Mpa。

5.根据权利要求3所述材料热分解实验方法，其中，步骤二中根据热重分析实验结果，按照下述方式之一设定实验温度：

1）温度设置在200～800℃；或：

2）以5-20℃/min的升温速率从室温升至200～800℃。

6.根据权利要求3所述材料热分解实验方法，其中，步骤三包括通过截止阀J1、截止阀J2、调压阀Y1和调压阀Y2调节可控气氛实验箱（1）的氮气和氧气流量，分别使氮气输送管路上的流量计L1和氧气输送管路上的流量计L2的读数控制在0～10L/min，同时，使流量计L1与流量计L2的读数之和控制在4～20L/min，将压力表P1和压力表P2的压力分别控制在0.14～0.16MPa，设定氧浓度在0～50%，设定该氧浓度的稳定时间为5min。

7.根据权利要求3所述材料热分解实验方法，其中，步骤四包括等待热分解实验炉到达上述设定的的实验温度时，依次打开第一截止阀（51）、第二截止阀（52）和第三截止阀（53），通过第二截止阀（52）调节预热空气炉（4）的气体流量，流量范围控制在0-40L/min，同时调节预热空气炉（4）的温度，使恒温气氛炉（3）中的氮氧混合气的温度保持在175-185℃。

8.根据权利要求3所述材料热分解实验方法，其中，步骤八包括将热分解实验炉（2）、预热空气炉（4）和恒温气氛炉（3）的温度分别设置到室温，继续通入氮氧混合气20-60min，直至所述热分解实验炉（2）、预热空气炉（4）和恒温气氛炉（3）的温度均降至室温，依次关闭气体分析系统（6）、可控气氛实验箱（1）、预热空气炉（4）和恒温气氛炉（3），关闭第一截止阀（51）、第二截止阀（52）和第三截止阀（53），断开电源。