留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

典型航空电缆的热解动力学研究

骆强 曲芳 姚志鹏 赵旋 王潇 刘明谕 窦双

骆强, 曲芳, 姚志鹏, 赵旋, 王潇, 刘明谕, 窦双. 典型航空电缆的热解动力学研究[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2021, 53(5): 30-36. doi: 10.6054/j.jscnun.2021072
引用本文: 骆强, 曲芳, 姚志鹏, 赵旋, 王潇, 刘明谕, 窦双. 典型航空电缆的热解动力学研究[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2021, 53(5): 30-36. doi: 10.6054/j.jscnun.2021072
LUO Qiang, QU Fang, YAO Zhipeng, ZHAO Xuan, WANG Xiao, LIU Mingyu, DOU Shuang. Research on Pyrolysis Kinetics of Typical Aviation Cable[J]. Journal of South China normal University (Natural Science Edition), 2021, 53(5): 30-36. doi: 10.6054/j.jscnun.2021072
Citation: LUO Qiang, QU Fang, YAO Zhipeng, ZHAO Xuan, WANG Xiao, LIU Mingyu, DOU Shuang. Research on Pyrolysis Kinetics of Typical Aviation Cable[J]. Journal of South China normal University (Natural Science Edition), 2021, 53(5): 30-36. doi: 10.6054/j.jscnun.2021072

典型航空电缆的热解动力学研究

doi: 10.6054/j.jscnun.2021072
基金项目: 

国家自然科学基金项目 61901283

辽宁省教育厅基础研究项目 JYT2020022

辽宁省大学生创新创业训练计划项目 S202010143024

详细信息
    通讯作者:

    曲芳,Email: yjhhlj@163.com

  • 中图分类号: TM249.3

Research on Pyrolysis Kinetics of Typical Aviation Cable

  • 摘要: 含氟聚合物绝缘电缆为航空线缆的主要体系. 选取以聚四氟乙烯(PTFE)、可熔性聚四氟乙烯(PFA)、聚全氟乙丙烯(FEP)3种含氟聚合物为护套的航空电缆作为研究对象,采用热重-差热同步分析仪研究氮气气氛中不同升温速率下3种材料的热分解特性,结果表明:PTFE的热分解过程为1个阶段,而PFA和FEP的热分解过程均为2个阶段,且PTFE的初始分解温度和10%质量损失率温度均高于PFA和FEP的相应值,因此,PTFE比PFA和FEP更不容易发生热解. 分别使用Ozawa法、Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)法、Starink法和Friedman法进行非等温的热解动力学分析,针对同一材料,Ozawa法、KAS法以及Starink法计算出的表观活化能基本相同,而Friedman法计算出的表观活化能略高于上述3种方法所得结果. 对比可知PTFE的初期表观活化能和平均表观活化能均大于PFA和FEP的相应值,因此PTFE在整个热解反应过程中的热稳定性相对最优.
  • 图  1  不同升温速率下不同材料的TG与DTG曲线

    Figure  1.  The TG and DTG curves of different materials at different heating rates

    图  2  不同转化率下Ozawa法拟合

    Figure  2.  The Ozawa method fitting for various conversion rates

    图  3  不同转化率下KAS法拟合

    Figure  3.  The KAS method fitting for various conversion rates

    图  4  不同转化率下Starink法拟合

    Figure  4.  The Starink method fitting for various conversion rates

    图  5  不同转化率下Friedman法拟合

    Figure  5.  The Friedman method fitting for various conversion rates

    图  6  3种材料活化能的变化

    Figure  6.  The change of activation energy of the three materials

    表  1  PTFE在不同升温速率下热解的温度参数

    Table  1.   The pyrolysis temperature parameters of PTFE at different heating rates 

    β/(℃·min-1) Ti T10% Tf Tp
    5 470 518 592 569
    10 485 532 605 580
    20 493 536 615 603
    30 526 558 641 614
    40 534 566 662 619
    下载: 导出CSV

    表  2  PFA在不同升温速率下热解的温度参数

    Table  2.   The pyrolysis temperature parameters of PFA at different heating rates 

    β/(℃·min-1) Ti T10% Tf Tp(1) Tp(2)
    5 456 484 580 487 553
    10 462 487 591 505 564
    20 479 509 610 533 581
    30 489 515 618 540 593
    40 494 527 635 546 603
    注:Tp(1)和Tp(2)分别表示第一、二阶段的最大质量损失速率对应的温度(下同).
    下载: 导出CSV

    表  3  FEP在不同升温速率下热解的温度参数

    Table  3.   The Pyrolysis temperature parameters of FEP at different heating rates 

    β/(℃·min-1) Ti T10% Tf Tp(1) Tp(2)
    5 439 480 579 492 550
    10 461 491 591 506 566
    20 477 507 602 526 593
    30 483 519 610 540 598
    40 503 528 633 545 603
    下载: 导出CSV

    表  4  Ozawa、KAS、Starink和Friedman方法所得3种材料的表观活化能

    Table  4.   The apparent activation energy of the three materials obtained with the Ozawa, KAS, Starink and Friedman methods

    α/% E(PTFE)/(kJ·mol-1) E(PFA)/(kJ·mol-1) E(FEP)/(kJ·mol-1)
    Oza KAS Sta Fri Oza KAS Sta Fri Oza KAS Sta Fri
    10 216.5 215.1 215.6 230.3 211.4 210.4 210.9 253.2 200.2 196.2 196.8 242.2
    20 228.2 228.7 229.3 254.8 204.8 201.7 202.3 238.3 192.2 188.9 189.5 222.8
    30 230.9 229.8 230.3 244.6 198.3 195.6 196.2 217.7 183.9 180.8 181.4 208.0
    40 231.2 231.2 231.8 267.0 211.0 210.2 210.8 199.0 199.3 196.6 197.3 181.3
    50 231.6 230.3 230.9 258.6 227.4 225.3 225.8 227.5 211.9 214.6 215.2 194.3
    60 232.0 231.4 232.0 243.5 234.1 233.1 233.6 259.9 219.7 220.7 221.3 238.2
    70 235.2 232.3 232.9 255.1 237.5 236.8 237.3 235.6 228.3 224.3 224.9 227.7
    80 237.1 233.9 234.4 261.6 238.4 240.6 241.2 264.4 228.2 226.5 227.1 265.2
    平均值 230.3 229.1 229.6 251.9 220.4 219.2 219.8 237.0 208.0 206.1 206.7 222.4
    注:Oza、Sta、Fri分别为Ozawa、Starink、Friedman法的缩写.
    下载: 导出CSV
  • [1] 詹姆士G. 昆棣瑞. 火灾学基础[M]. 社建科, 王平, 高玉萍, 译. 北京: 化学工业出版社, 2010.
    [2] 王志. 线缆绝缘材料热解特性与线缆燃烧及火蔓延行为研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2020.

    WANG Z. Study on pyrolysis characteristics of insulations and combustion and flame spread of wires and cables[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2020.
    [3] 沈世钊, 陶兆增, 郭成瑞, 等. 基于热分解动力学的航天电线长周期寿命研究[J]. 光纤与电缆及其应用技术, 2020(2): 11-15, 38. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYYD202002004.htm

    SHEN S Z, TAO Z Z, GUO C R, et al. Long-cycle life estimation of spaceflight wire based on thermal degradation kinetics[J]. Optical Fiber and Electric Cable and Their Applications, 2020(2): 11-15, 38. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYYD202002004.htm
    [4] 郭子东. 典型核电电缆火灾危险性的热解实验研究[J]. 消防科学与技术, 2018, 37(5): 602-604, 632. doi: 10.3969/j.issn.1009-0029.2018.05.008

    GUO Z D. Pyrolysis experiment of fire hazard of a typical nuclear power cable[J]. Fire Science and Technology, 2018, 37(5): 602-604, 632. doi: 10.3969/j.issn.1009-0029.2018.05.008
    [5] 张政, 贺元骅, 伍毅, 等. 典型航空电缆材料阻燃性能的研究[J]. 塑料科技, 2019, 47(12): 10-17. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLKJ201912004.htm

    ZHANG Z, HE Y H, WU Y, et al. Study on flame retardant performance of typical aviation cable materials[J]. Plastics Science and Technology, 2019, 47(12): 10-17. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLKJ201912004.htm
    [6] MARTINKA J, RANTUCH P, SULOVÁ J, et al. Assessing the fire risk of electrical cables using a cone calorimeter[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2019, 135: 3069-3083. doi: 10.1007/s10973-018-7556-5
    [7] 张立飞, 柳军旺, 马成国, 等. 氢氧化镁/可膨胀石墨/聚丙烯复合材料的热降解过程与燃烧行为[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2020, 52(1): 17-22. doi: 10.6054/j.jscnun.2019120

    ZHANG L F, LIU J W, MA C G, et al. Thermal degradation and combustion behavior of flame retardant polypropylene with expandable graphite and magnesium hydroxide[J]. Journal of South China Normal University(Natural Science Edition), 2020, 52(1): 17-22. doi: 10.6054/j.jscnun.2019120
    [8] 李莲玉, 谭淑莲, 谢晓丹, 等. 系列氮唑类含能配合物的合成及其性质[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2019, 51(3): 18-23. doi: 10.6054/j.jscnun.2019040

    LI L Y, TAN S L, XIE X D, et al. The synthesis and properties of a series of energetic coordination polymers based on azole derivatives[J]. Journal of South China Normal University(Natural Science Edition), 2019, 51(3): 18-23. doi: 10.6054/j.jscnun.2019040
    [9] 胡荣祖, 高胜利, 赵凤起, 等. 热分析动力学[M]. 第二版. 北京: 科学出版社, 2008.
    [10] FATMI M, GHEBOULI B, GHEBOULI M A, et al. The kinetics of precipitation in Al-2.4wt% Cu alloy by Kissinger, Ozawa, Bosswel and Matusita methods[J]. Physica B: Physics of Condensed Matter, 2011, 406(11): 2277-2280. doi: 10.1016/j.physb.2011.03.053
    [11] CHEN R Y, XU X K, LU S X, et al. Pyrolysis study of waste phenolic fibre-reinforced plastic by thermogravimetry/Fourier transform infrared/mass spectrometry analysis[J]. Energy Conversion and Management, 2018, 165: 555-566. doi: 10.1016/j.enconman.2018.03.092
    [12] DAS P, TIWARI P. Thermal degradation kinetics of plastics and model selection[J]. Thermochimca Acta, 2017, 654: 191-202. http://www.onacademic.com/detail/journal_1000039930943010_5c09.html
    [13] 张永明, 李虹, 张恒. 含氟功能材料[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.
    [14] 张万里, 高自宏, 孙斌, 等. 氟树脂在电线电缆上的应用[J]. 有机氟工业, 2017(2): 47-49. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YJFG201702015.htm

    ZHANG W L, GAO Z H, SUN B, et al. Application of fluo-roresin in electric wire[J]. Organo-Fluorine Industry, 2017(2): 47-49. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YJFG201702015.htm
    [15] 徐洪, 杨永祥. 聚全氟乙丙烯(FEP)性能与成型方法和应用[J]. 有机氟工业, 2009(3): 31-35. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YJFG200903011.htm

    XU H, YANG Y X. The performance, molding method and application of polyfluoroethylene propylene (FEP)[J]. Organo-Fluorine Industry, 2009(3): 31-35. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YJFG200903011.htm
    [16] 梁翾翾, 张小平. 聚四氟乙烯热裂解研究[J]. 化学工业与工程, 2008(4): 314-318. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HXGY200804007.htm

    LIANG X X, ZHANG X P. Pyrolysis of polytetrafluoroethy-lene[J]. Chemical Industry and Engineering, 2008(4): 314-318. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HXGY200804007.htm
    [17] 杨帆, 汪仲权, 钟子强. 可熔性聚四氟乙烯的加工技术及应用研究进展[J]. 有机氟工业, 2019(1): 37-41. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YJFG201901009.htm

    YANG F, WANG Z Q, ZHONG Z Q. Progress in processing technology and application of fusible polytetrafluoroethylene[J]. Organo-Fluorine Industry, 2019(1): 37-41. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YJFG201901009.htm
    [18] 邹文樵, 王翎, 冯仰婕, 等. 热分析法研究聚全氟乙丙烯非等温裂解反应动力学[J]. 化学研究与应用, 1993(3): 19-24. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HXYJ199303002.htm

    ZOU W Q, WANG L, FENG Y J, et al. Study on non-isothermal differential kinetics of thermal degration for CF2CF2/CF3 CFCF2 copolymer by thermal analysis method[J]. Chemical Research and Application, 1993(3): 19-24. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HXYJ199303002.htm
    [19] 谌瑞宇. 地铁列车车厢典型内装材料热解及燃烧特性研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2016.

    CHEN R Y. Thermal decomposition and combustion characteristics of typical metro train interior materials[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2016.
    [20] 魏瑞超. 增塑剂邻苯二甲酸二丁酯对硝化棉热行为的影响研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2019.

    WEI R C. Effect of the plasticizer dibutyl phthalate on the thermal behaviours of nitrocellulose[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2019.
  • 加载中
图(6) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  216
  • HTML全文浏览量:  74
  • PDF下载量:  30
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-10
  • 网络出版日期:  2021-11-11
  • 刊出日期:  2021-10-25

目录

    /

    返回文章
    返回