聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是一种合成聚合物，具有良好的透光性、抗冲击性、耐腐蚀性等[1-5]。PMMA可以加快固化速度并增加黏度和硬度，广泛用于玻璃替代产业、光学元件等领域[6]。然而，PMMA粉尘云具有较高的爆炸灵敏度[7]和较强的爆炸严重程度[8]；而对于纳米PMMA粉尘，由于严重的团聚效应[9]，爆炸过程更加复杂，从而出现粉尘爆炸的危险。在实际工业生产中，PMMA粉尘由于加工或者操作不当等因素堆积在仪器或者仪器管道内部的高温表面，也可产生火灾或者燃爆事故[10]。因此，研究PMMA燃烧特性具有重要意义。目前，PMMA的阻燃改性主要可分为添加型和反应型，其中添加型是常用的阻燃方法[11-12]。阻燃剂可分为卤系和非卤系，卤系阻燃剂阻燃效率高，但其分解产生的气体具有腐蚀性，污染环境并对人体产生危害[13-14]。对PMMA阻燃性的研究主要向无卤阻燃剂方向发展。无卤阻燃剂以氢氧化铝(ATH)和氢氧化镁(MH)为代表，是目前工业上常用的无机阻燃剂[15-17]。由于金属氢氧化物受热分解，产生吸热反应，并产生大量的水蒸气，带走热量，稀释PMMA热解可燃气体的浓度，并生成金属氧化物，在凝聚相阻燃中使PMMA基体与外部隔离[18-22]。江玉等[23]将氢氧化镁(MH)和氢氧化铝(ATH)等质量混合得到复配物(MA)，在碱性条件下利用原位聚合法用密胺树脂(MF)对其进行微胶囊改性，得到改性MA(M-MA)，通过熔融共混制备乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)/M-MA复合材料。对M-MA的结构和热稳定性进行表征。结果表明：M-MA的热稳定性得到提高，其对EVA复合材料的热稳定性提高效果较显著。为了减少或预防因粉尘堆积所产生的燃烧或爆炸事故，从根源上降低事故的发生概率，本实验研究不同目数的PMMA粉尘的燃烧特性，探究其对火灾危险性的影响，以及ATH和MH粉对PMMA粉尘的协同阻燃作用。1实验部分1.1主要原料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，200、500、2 000目粉，纯度99%，飞弘塑化有限公司；氢氧化镁(MH)，分析纯，二级品，天津市大茂化学试剂厂；氢氧化铝(ATH)，分析纯，二级品，天津市恒兴化学试剂制造有限公司。1.2仪器与设备锥形量热仪，iCone-Classic，英国FTT公司；恒温干燥箱，DHG-9030A，上海一恒科学有限公司；低温超细研磨机，CN65639，海璐智能公司。1.3样品制备本实验使用的样品为添加了3种不同质量比的ATH与MH的PMMA，以纯PMMA为对照组。PMMA与阻燃剂比例为4∶6，阻燃剂ATH和MH的质量比分别为1∶1、1∶2、2∶1。1.4性能测试与表征燃烧性能测试：采用锥形量热仪测量热释放速率(HRR)、点燃时间(TTI)、熄灭时间、总释放热(THR)、质量损失速率(MLR)、产烟率(SPR)、有效燃烧热(EHC)等参数[24-26]。燃烧性能按GB/T 16172—2007和ISO 5660-1—2002进行测试，辐射通量为30 kW/m2，样品质量为20 g，空气气氛，试样采取铝箔纸装载，铝箔纸折叠为100 mm×100 mm×30 mm尺寸的装样盒，每个样品重复测试3次。火灾指数分析：火灾增长系数（FGI）按GB/T 16172—2007进行计算和分析。2结果与讨论2.1PMMA燃烧性能研究表1为未添加阻燃剂的不同粒径的PMMA材料燃烧性能参数。从表1可以看出，在无阻燃剂时，随着PMMA粒径不断变小，其TTI逐渐减小，PMMA为2 000目时，TTI最短为33 s。HRR是可燃材料着火危险的最佳指标参数。燃烧材料释放的热量可以提供火势增长和蔓延所需的额外热能，热释放速率峰值(pHRR)是控制火焰最高温度和火焰蔓延速率的关键特征参数[28-30]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.011.T001表1未添加阻燃剂的不同粒径PMMA材料燃烧性能参数Tab.1Combustion performance parameters of PMMA materials with different particle sizes without flame retardants项目粒径/目2005002000点燃时间TTI/s534133有效燃烧热EHC/（MJ·m-2）23.7122.8923.34持续燃烧时间/s200277222质量损失速率MLR/（g·s-1）0.0840.0780.074总热释放量THR/（MJ·m-2）49.8846.5246.85热释放速率峰值pHRR/（kW·m-2）378.32361.35370.81到达热释放速率峰值时间/s8065115热释放速率HRR/（kW·m-2）199.36177.94171.82图1为未添加阻燃剂的不同粒径PMMA的热释放速率和质量损失速率。表2为未添加阻燃剂的不同粒径PMMA质量损失速率峰值。TTI是指材料点燃所需要的时间，点燃时间越短，说明材料越容易被点燃[27]。从图1a和表2可以看出，随着热辐射时间的增加，3种粒径的PMMA粉尘HRR在15~120 s内迅速上升并达到顶点，在150~250 s内急速下降。200目PMMA的pHRR值为378.32 kW/m2，到达峰值时间为80 s。500目PMMA的pHRR值为361.35 kW/m2，到达峰值时间为65 s。2 000目PMMA的pHRR值为370.81 kW/m2，到达峰值时间为115 s。在HRR上升阶段，热释放主要发生在材料膨胀熔融至初始燃烧时的裂解阶段，材料经过热辐射之后，粉尘层内部可燃物质裂解产生可燃气体并被引燃，在反复波动阶段，材料完全燃烧。在急速下降阶段，由于材料质量减少，其HRR呈下降趋势，直至为零。图1未添加阻燃剂的不同粒径PMMA的HRR和MLRFig.1HRR and MLR of PMMA with different particle sizes without flame retardants10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.011.F1a1（a）HRR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.011.F1a2（b）MLR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.011.T002表2未添加阻燃剂的不同粒径PMMA质量损失速率峰值Tab.2pMLR of PMMA with different particle sizes without flame retardants项目粒径/目2005002000pMLR/（g·s-1）0.1540.1530.161到达pMLR所需时间/s14070135MLR是研究材料发生火灾时的燃烧特性重要参数之一，反映了材料燃烧时的热分解速率。MLR越大，材料的燃烧速率越高，火灾危险性越高。从图1b和表2可以看出，在未添加阻燃剂条件下，随着热辐射时间的延长，200目PMMA的质量损失速率峰值(pMLR)为0.15 4 g/s，到达pMLR时间为140 s。500目PMMA的pMLR为0.153 g/s，到达pMLR时间为70 s。2 000目PMMA的pMLR为0.161 g/s，到达pMLR时间为135 s。采用火灾增长系数(FGI)表征材料燃烧后火灾蔓延的速率以及火势发展程度，材料的FGI值越高，材料的燃烧危险性也越大；采用火灾性能指数(FPI)表征材料燃烧后发生火灾轰燃的可能性，材料的FPI值越高，材料引发火灾后再发生轰燃的可能性也越大。FGI计算公式为：FGI=pHRR/t （1）式（1）中：pHRR为热释放速率峰值，kW/m2；t为到达峰值所需时间，s。表3为未添加阻燃剂的3种粒径PMMA材料的FGI值。从表3可以看出，未经阻燃剂处理时，3种粒径PMMA的FGI排序为：500目200目2 000目。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.011.T003表3未添加阻燃剂的不同粒径PMMA材料的FGI值Tab.3FGI of PMMA materials with different particle sizes without flame retardants项目粒径/目2005002000FGI4.735.563.22kW·m-2·s-1kW·m-2·s-12.2ATH-MH阻燃剂对PMMA燃烧性能研究选择燃烧危险性较大的500目PMAA，加入3种不同质量比的ATH与MH对其进行阻燃处理。以500目纯PMMA作为对照组，得出阻燃效果最好的配比。表4为添加阻燃剂的500目PMMA燃烧性能参数。图2为添加阻燃剂的500目PMMA的HRR和MLR。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.011.T004表4添加阻燃剂的500目PMMA燃烧性能参数Tab.4Combustion performance parameters of 500-mesh PMMA with flame retardants项目ATH∶MH01∶11∶22∶1TTI/s41615083pHRR/（kW·m-2）361.35106.93113.1793.72到达pHRR时间/s65404549HRR/（kW·m-2）177.9434.2830.5834.34持续燃烧时间/s277285265355到达pMLR时间/s70405545pMLR/（g·s-1）0.1530.0720.0700.068MLR/（g·s-1）0.0780.0240.0220.023图2添加阻燃剂的500目PMMA的HRR和MLRFig.2HRR and MLR of PMMA of 500 mesh with flame retardants10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.011.F2a1（a）HRR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.011.F2a2（b）MLR从表4和图2可以看出，PMMA粒径为500目，无阻燃剂添加，此时ATH∶MH为0∶0，其TTI为41s，其HRR平均值为177.94 kW/m2，pHRR为361.35 kW/m2，到达热释放速率峰值时间为65 s。当添加阻燃剂，ATH∶MH为1∶1时，其TTI为61 s，pHRR为106.93 kW/m2，MLR为0.024 g/s。ATH∶MH为1∶2时，其TTI较短，为50 s；pHRR较高，为113.17 kW/m2；MLR最低，为0.022 g/s。当ATH∶MH为2∶1时，其TTI为83 s，pHRR较低，为93.72 kW/m2；HRR平均值为34.34 kW/m2，到达pHRR时间为49 s。表5为添加不同质量比的ATH-MH的PMMA材料的FGI值。从表5可以看出，当ATH∶MH为2∶1时，其FGI最小，为1.91 kW/(m2·s)，其阻燃效果最好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.011.T005表5添加不同质量比ATH-MH的PMMA材料的FGI值Tab.5FGI of PMMA materials with different mass ratios of ATH-MH粒径/目ATH∶MHFGI50005.561∶12.671∶22.512∶11.91kW·m-2·s-1kW·m-2·s-13结论（1）PMAA材料的燃烧时间与材料的粒径相关，随着粒径的减小，材料的TTI缩短，燃烧速度加快，pHRR与pMLR增加。（2）在不同质量比的ATH与MH协同作用条件下，随着MH含量增加，TTI缩短，到达pHRR时间先缩短后增加,HRR平均值减小。材料的MLR、pMLR随着MH含量增加先增加后减少,到达pMLR的时间随着阻燃剂ATH与MH混合比例中MH的含量增加先降低后增加。（3）PMMA在不同质量比的ATH与MH协同作用下，FGI随着MH的比例增加先升高后降低。当ATH∶MH为2∶1时，对PMMA的阻燃效果最好。