在交通运输过程中，行李箱是旅客常用的出行物品。同种行李箱硬面材料中，ABS由于硬度更大、更加轻巧、性价比较高，大多数行李箱的制作材料更倾向于ABS材料。但ABS在空气中易燃烧，氧指数只有18.3%~18.8%，释放大量黑烟和毒气[1]。在飞机上有火情发生时，ABS材料存在安全隐患。因此，需要对ABS材料特性进行研究。国内外学者对ABS材料已经进行了较多研究。郭一铭[2]对客车内饰材料的热稳定性和安全性进行研究，发现ABS材料热解产物主要含有含氮化合物、烃类化合物及氧化物等。Wu等[3]对聚乳酸(PLA)和ABS的塑料共混物的共热解和燃烧方面进行研究，发现PLA-ABS的共热解速度远高于材料单独热解的速度。尹凤福等[4]研究了聚苯乙烯(PS)和ABS单组分的热解特性和动力学参数，分析PS和ABS对典型废旧塑料混合物PP/PVC/PE共热解行为的影响。研究表明：PS和ABS的热解反应为一步完成，ABS与PS的加入使PP/PVC/PE混合物的残余质量增加。采用Kissinger法得到ABS活化能为188.566 kJ/mol，通过Criado法、Coast-Redfern法验证ABS的热解机理为收缩圆柱体R2。黄俊等[5]将改性可膨胀型石墨应用于ABS，发现阻燃后ABS复合材料的热稳定性得到提高。徐洋等[6]对ABS塑料空调外壳进行燃烧特性研究，得出ABS材料的火灾增长系数为0.1036，其火灾增长系数比快速火大，比超快火小。王继贇等[7]采用稳态管式炉，对ABS材料在不同气氛下的燃烧过程进行测定。研究表明：在通风条件好的情况下，CO、CO2的体积分数逐渐减小。而通风条件不良的情况下，随着CO、CO2体积比的增加，燃烧过程中有害气体也增多。目前对于ABS的热稳定性和燃烧特性研究较多，大部分集中在对ABS材料共热解、改性或者改变外部研究条件，但对纯ABS研究较少。本实验选取厚度为2 mm和3 mm的纯ABS为实验对象，对比分析其在不同辐射强度下的燃烧特性，结合热重分析仪研究其在不同升温速率下的热解特性，为纯ABS的应用提供参考。1实验部分1.1主要原料丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)塑料板，工业级，尺寸为100 mm×100 mm，密度为1.04~1.06 g/cm3，厚度为2 mm和3 mm，欧帝富深圳市泉福金属有限公司。1.2仪器与设备锥形量热仪，CCT，昆山莫帝斯科燃烧技术仪器有限公司；热重分析仪(TG)，Perkin-Elmer TGA 4000，珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司。1.3性能测试与表征烟释放量和燃烧行为测试：按ISO 5660-1: 2015进行测试，在20、25、30、35、40和50 kW/m2辐射强度下进行燃烧实验，环境温度分别为440、483、525、560、607、657 ℃。TG分析：按GB/T 27761—2011进行测试，在干燥空气气氛下(40 mL/min)进行测试，测试温度30~700 ℃，升温速率分别为5、10和15 ℃/min。2结果与讨论2.1烟气变化分析燃烧过程释放大量的CO、CO2以及大量黑烟，这些都是火灾事故中的主要的致死因素。ABS材料的持续燃烧受氧浓度、烟气流量和辐射强度等因素影响。图1和图2分别为厚度为2 mm和3 mm的ABS在不同辐射强度下O2浓度和烟气变化。图1厚度为2 mm的ABS在不同辐射强度下O2浓度和烟气变化Fig.1O2 concentration and smoke variation of ABS with thickness of 2 mm under different radiation intensities10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F1a1(a)O2含量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F1a2(b)CO2含量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F1a3(c)CO含量图2厚度为3 mm的ABS在不同辐射强度下O2浓度和烟气变化Fig.2O2 concentration and smoke variation of ABS with thickness of 3 mm under different radiation intensities10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F2a1(a)O2含量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F2a2(b)CO2含量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F2a3从图1和图2可以看出，随着辐射强度的增加，耗氧量开始增大且耗氧速率加快，CO2和CO生成量也增大，烟气生成时间提前。相比25 kW/m2，2 mm厚ABS中50 kW/m2的耗氧量增加1.1%，CO2和CO生成量分别增0.25%和0.04%。3 mm厚的ABS材料的烟气变化与2 mm大致相同，但耗氧量在最低点停留时间更长，使低氧含量状态持续一段时间，再趋于平稳。持续的低氧含量导致CO上涨趋势趋于平缓，CO2生成量变小。图3为不同厚度的ABS在不同辐射强度下的总产烟量。从图3可以看出，不同厚度ABS的总产烟量随辐射强度的升高而增大，但烟气总产烟量不随辐射强度的变化而呈规律性变化。厚度为2 mm和3 mm的ABS材料中，总产烟量差值在辐射强度为20、25、30、35、40和50 kW/m2中分别为2.8、2.5、2.2、1.1、3.1和3.1 m2，这表明总产烟量差值并不随厚度的变化而呈现规律性变化。此外，改变辐射强度对产烟特性和总量有一定的影响，但没有规律性变化。图3不同厚度的ABS在不同辐射强度下的总产烟量Fig.3Total smoke production of ABS with different thickness under different radiation intensities10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F3a1(a)厚度为2 mm的ABS的总产烟量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F3a2(b)厚度为3 mm的ABS的总产烟量2.2热释放分析2.2.1热释放速率热释放速率(HRR)是反应材料燃烧的重要参数。图4为厚度为2 mm和3 mm的ABS材料在不同热辐射强度下的HRR。从图4可以看出，在ABS材料的燃烧和熄灭过程中，随着反应的进行，HRR很快达到峰值(pkHRR)，随着燃烧反应的变弱，HRR快速下降。由于2 mm厚度的ABS燃烧速率过快，热释放速率没有出现两个明显的峰值，但是由于厚度的增加，不同辐射强度下样品HRR曲线由单峰向多峰过渡，并且HRR的峰宽明显增大。这是因为随着辐射锥的持续辐射，样品燃烧生成炭层，从而阻挡热量传递，对内部起到一定保护作用，使得曲线出现转弯现象，之后由于炭层的分解，ABS的热释放速率下降缓慢，因此峰形变宽。图4不同厚度的ABS在不同辐射强度下的HRRFig.4HRR of ABS with different thickness under different radiation intensities10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F4a1(a)厚度为2 mm的ABS的热释放速率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F4a2(b)厚度为3 mm的ABS的热释放速率2.2.2点燃时间模型表1为不同厚度的ABS在不同辐射强度下的燃烧特性参数。从表1可以看出，25 kW/m2辐射强度下，2 mm的ABS材料经过3次点火被点燃，点燃时间约为70 s，燃烧时间约为450 s；3 mm的ABS材料经过4次点火被点燃，点燃时间约为81 s，燃烧时间约为600 s，当材料的厚度增大时，材料的点燃时间和燃烧时间延长。4个辐射强度的整体规律与25 kW/m2辐射强度下的燃烧规律相同，2 mm厚的ABS材料点燃时间在30、35、40和50 kW/m2辐射强度下分别为50、36、28、20 s，3 mm的ABS材料点燃时间分别增加了13、10、3、2 s。结果表明：ABS材料厚度越大，点燃越困难。这是因为厚度的增加影响了材料的热容量从而影响燃烧反应的发生，延长了点燃时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.T001表1不同厚度的ABS在不同辐射强度下的燃烧特性参数Tab.1Combustion parameters of ABS with different thickness under different radiation intensities参数厚度2 mm厚度3 mm20 kW/m225 kW/m230 kW/m235 kW/m240 kW/m250 kW/m220 kW/m225 kW/m230 kW/m235 kW/m240 kW/m250 kW/m2点燃时间/s705036282015816346312214熄灭时间/s360333326322304280520470455502469416点火次数/次322111432211燃烧时间/s450445430423366321600530519591542440pkHRR/（kW‧m-2）4564805195346927583183703903964405102 mm的ABS材料燃烧时间分别为450、445、430、423、366 s，3 mm的ABS材料燃烧时间分别延长了150、85、89、168、176 s，连续燃烧时间随着辐射强度的增加而缩短，因为在高辐射强度下，ABS短时间内能够接收足够的能量快速分解，释放出可燃性气体，从而缩短燃烧时间。为了探究点燃时间与外加热辐射通量之间的关系，引入热薄型和热厚型材料模型公式，计算公式[8-10]。tig=ρcd(Tig-T∞)qe" （1）tig=π4kρc(Tig-T∞qe")2 （2）式（1）和式（2）中：tig为点燃时间，s；ρ为材料密度，kg/m3；c为材料比热容，J/(kg‧K)；k为材料导热系数，W/(m‧K)；d为材料厚度，mm；Tig为点燃温度，K；T∞为环境温度，K；qe为辐射强度，kW/m2。图5为不同厚度的ABS在不同热辐射强度下点燃时间和热辐射强度的拟合曲线。从图5可以看出，热薄型模型计算的相关系数R2均高于热厚型模型，所以本实验对ABS选取热薄型模型建立ABS的点燃时间模型。图5不同厚度的ABS在不同热辐射强度下点燃时间和辐射强度的拟合曲线Fig.5Fitting curves of ignition time and radiation intensity of ABS with different thickness under different heat radiation intensities10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F5a1(a)热薄型模型10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F5a2(b)热厚型模型2 mm ABS临界辐射热流计算公式：1tig=0.00146qe-0.02314 （3）3 mm ABS临界辐射热流计算公式：1tig=0.00137qe-0.02403 （4）计算出2 mm和3 mm厚度的ABS临界热辐射热流分别为15.85 kW/m2和17.54 kW/m2。由此得出，ABS厚度的改变对于其临界辐射热流有一定的影响。2.2.3峰值时间和热释放速率峰值关系图6为厚度为2 mm和3 mm的ABS达到pkHRR的时间随热辐射强度的变化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F006图6厚度为2 mm和3 mm的ABS达到pkHRR的时间随热辐射强度的变化Fig.6The time to pkHRR of ABS with thickness of 2 mm and 3 mm varied with heat radiation intensity从图6可以看出，在6种不同热辐射强度下，随着ABS厚度的增加，pkHRR降低，同时pkHRR到达时间延迟，但随着热辐射强度的增加，pkHRR到达时间缩短。从表1可以看出，热辐射强度从25 kW/m2增至50 kW/m2，2 mm厚的ABS材料pkHRR从456 kW/m2升至692 kW/m2，两者之间相差达51.8%。热辐射强度从25 kW/m2增至50 kW/m2，3 mm厚的ABS的pkHRR从318 kW/m2升至440 kW/m2，两者之间相差38.4%。这些数据表明，辐射强度越高，ABS材料的燃烧反应越强，燃烧速度越快导致火焰传播速度变快，即发生火灾时的传播速度更快，危险性更大。并且，当厚度增加时，材料的热容量会影响燃烧反应，从而增加火灾危险性。2.3热稳定性分析表2为ABS材料在不同升温速率下的热解特性参数。从表2可以看出，当升温速率为5 ℃/min时，ABS材料在314 ℃已经开始热解，而升温速率为15 ℃/min时，ABS材料在341℃才开始热解，表明提高升温速率会使热解温度提高。随着升温速率的增大，热解过程时间逐渐缩短，最大热分解速率升高。不同升温速度下材料总体质量损失趋势大致相同，材料质量损失率随着升温速率的改变而没有明显的规律性变化。由于传热具有滞后性，升温速度过快而热量需要时间传导，造成实验材料内部没有及时升温发生反应。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.T002表2ABS材料在不同升温速率下的热解特性参数Tab.2Pyrolysis characteristics of ABS at different heating rates参数升温速率/（℃·min-1）第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段温度区间/℃50~314314~426426~522522~700100~322322~466466~552552~700150~341341~484484~577577~700质量损失/%5080.107.89010084.004.60015084.983.470最大热解速率/（%‧min-1）52.25673101.69322151.24961图7为ABS在不同升温速率下的TG/DTG曲线。从图7可以看出，ABS整个热分解阶段分为四个阶段。第一阶段主要受水分的影响，曲线轻微波动；第二阶段为快速分解阶段，ABS受热分解为气态产物，另一部分氧化分解为炭层，此区间质量损失变化；第三阶段炭层进一步氧化分解为气态产物，使ABS的质量保留率大幅下降接近至0；第四阶段ABS分解几乎完成，曲线开始平缓。热解过程持续至2 500 s时，升温速度为15 ℃/min的热解实验已经进行完成，而升温速度为5 ℃/min的热解实验分解过程还未开始，升温速度为10 ℃/min的热解实验此时的分解速度达到最大值。图7ABS材料在不同升温速率下的TG/DTG曲线Fig.7TG/DTG curves of ABS material at different heating rates10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F7a1(a)升温速率为5 ℃/min下的TG/DTG曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F7a2(b)升温速率为10 ℃/min下的TG/DTG曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.F7a3(c)升温速率为15 ℃/min下的TG/DTG2.4火灾危险性评估通过火灾性能指数(FPI)和火灾增长指数(FGI)，评估ABS板的火灾危险性，FPI定义为点燃时间与热释放速率峰值之比，FPI值越小，表明样品点燃时间越快，火灾危险性越高[11-12]。FPI计算公式为：FPI=TipkHRR （5）式（5）中：pkHRR为热释放速率峰值，kW/m2；Ti为点燃时间，s；FPI为材料燃烧过程中的火灾危险性，kW/(m2·s)。FGI定义为热释放速率峰值与到达峰值的时间之比。FGI值越大，到达热释放速率峰值所需的时间越短，材料的火灾危险性就越大，FGI值的计算公式为：FGI=pkHRRTa （6）式（6）中：Ta为峰值到达时间，s；FGI为火势增长快慢，kW/(m2·s)。表3为ABS的火灾性能指数和火灾增长指数。从表3可以看出，随着辐射强度的增加FPI值越小，说明ABS的点燃时间更快火灾危险性更大，而3 mm厚的ABS的FPI值比2 mm厚的材料高，说明2 mm的火灾危险性更高。随着辐射强度的增大FGI值减小，说明到达所需峰值时间越短，火灾危险性更高，且3 mm厚ABS的FGI值比2 mm的小。3 mm厚的ABS的火灾危险性比2 mm厚ABS小。因为材料厚度越小，在辐射强度增大时，热量在ABS中传播速率越快，使厚度为2 mm的ABS材料燃烧更快更充分。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.004.T003表3ABS的火灾性能指数和火灾增长指数Tab.3Fire performance index and fire growth index of ABS项目辐射强度/（kW∙m-2）202530354050FPI2 mm0.150.100.070.050.030.023 mm0.250.170.120.080.050.03FGI2 mm2.122.653.203.564.805.613 mm0.931.231.511.581.992.51［kW∙（m2∙s）-1］［kW∙（m2∙s）-1］3结论（1）随着辐射强度的增加，耗氧量开始增大并且耗氧速率越来越快，同时，CO2和CO生成量也随着辐射强度的增加而增大，并且生成时间提前。厚度大的ABS材料产烟量更高，会在产烟量峰值处出现一个稳定产烟的时间段，产烟量集聚达到产烟量的最大值。辐射强度的升高会使产烟峰值提前，缩短燃烧时间。（2）厚度的增加，ABS点燃越困难，通过建立热薄型点燃时间模型，分别计算出2 mm和3 mm的ABS临界辐射热流为15.85 kW/m2和17.54 kW/m2。不同辐射强度下，热释放速率曲线由单峰向多峰过渡，并且热释放速率的峰宽明显增大。（3）随着升温速率的增大，热解过程时间逐渐缩短，最大热分解速率升高。并且不同升温速度下的总体质量损失趋势大致相同，材料质量损失率随着升温速率的改变而没有明显的规律性变化。（4）通过引入FPI和FGI评估了ABS的火灾危险性，发现火灾危险性与辐射强度成正比关系。在两种厚度中，2 mm的ABS火灾危险性更高。