一种基于质量的方法，用于确定聚合物材料的燃烧速率常数

《Combustion and Flame》：A mass-based method for determining the burning rate constant of polymeric materials

　　

作者：Yue Zhang、Masayuki Yamabayashi、Yuji Nakamura

摘要

经典的 d²-定律最初是为液滴燃烧研究而提出的，常用于通过几何直径的平方变化来估算固体聚合物的燃烧速率常数（K）。然而，在热塑性塑料的燃烧过程中，气泡活动可能会扭曲液滴的表观直径，从而影响基于几何尺寸的 K 测量结果。本研究开发了一种基于质量的等效直径测量方法，并将其应用于在100 kPa和20 kPa的受控亚大气压下燃烧的球形聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。在20 kPa的压力下，浮力效应减弱，烟尘辐射的影响也减小，使得燃烧火焰更加对称，气泡效应得到缓解。因此，选择20 kPa的压力来评估燃烧速率常数 K 更为合适。根据质量损失率和燃烧行为，燃烧过程被划分为三个阶段（I期、II期、III期），其中II期被选为最佳分析区间，因为该阶段不受点火器干扰、样品滑动以及熄火相关因素的影响。在20 kPa的II期，基于质量的方法测得的平均燃烧速率常数为0.55 mm²/s，而 K(t) 随时间逐渐减小。理论模型分析进一步揭示了液体燃烧与固体燃烧之间的机制差异：液滴燃烧主要受热传递控制，表面温度保持恒定；而固体燃料的燃烧过程则主要受阿伦尼乌斯动力学控制，表面温度会发生变化。分析表明，当表面温度变化缓慢时，固体燃料的质量通量表现出类似液滴的特性，这意味着 d²-定律在有限的范围内仍然适用。在此期间，燃烧区域的逐渐缩小导致总质量损失率下降，从而使推断出的 K(t) 随时间减小。总体而言，这种基于质量的方法在低压条件下为跨研究比较提供了可靠的 K 参考值。