几种常见塑料热解研究

几种常见塑料热解研究

摘要本文利用热分析法(DSC)和直接加热法对常见塑料进行了

热分析研究，对含碳氢、氮、氧、卤素等不同元素塑料的热分解行为进行分析，发现含阻燃元素( 如含氮、卤元素)的塑料分解温度较高，而含碳氢、碳氢氧的塑料分解温度低且容易燃烧。塑料随初始环境温度的升高，分解速度加快，但不同塑料的变化情况不同。

关键词 DSC 热分解塑料

1 前言

塑料是以合成树脂为基本成分，在一定条件(温度、压力)下可以流动成型，成型后能保持其形状的材料。随着高分子学科的创立，石油化工工业的飞速发展，成型加工技术的开拓，使得以高分子材料为基础的塑料跻身于金属、纤维和硅酸盐的三大传统材料之列，被称为重要的新型材料之一。塑料的原材料丰富，制造容易，性能优异，成本低廉，适应性强，从最初作为部分金属、木材、皮革及无机材料的代用品，发展到从国防建设到日常生活与国民经济密切相关的各个新领域。在建筑内部装修以及人们日常生活中应用都十分广泛，需求量也越来越大。但塑料又具有可燃性，且在燃烧过程中具有热量大、温度高、燃烧快以及释放出大量有毒气体的特点，这就给火灾扑救、人员逃生带来许多问题。因此，研究塑料在高温下的热分解特性，对

进一步了解其使用的消防安全性是很重要的。

2 实验部分

2 1 原材料

聚乙烯、尼龙、聚丙烯、聚甲醛、聚胺脂泡沫、有机玻璃、聚氯乙烯

规格：20目左右(空气中热裂解测试)，100目(DSC分析)

2 2 实验仪器

差式扫描量热仪：在空气气氛中用瑞士Mattle TA4000系统、DSC25、升温速率10.0℃/min ，标准铝坩埚，以α-Al2O3为参比物，DSC曲线由GraphWare TA72软件处理进行测定。

可控温马伏炉、电子天平。

2 3 测试方法

23 1 热现象的测试方法

参照GB/T 13464-92《物质热稳定性的热分析方法》。

23 2 空气中热裂解测试方法

将各种塑料置于规定温度的马伏炉中，间隔一定时间取出，冷却称量，计算失重率。

2 4 实验方法

24 1 DSC分析

(1)将各种塑料加工成碎屑，使之通过100目筛，然后置于干燥皿中待用

(2)用DSC25进行热稳定性测试，并用Graph Ware TA72软件处理结果。

24 2 空气中加热

(1)将各种塑料加工成碎屑，使之通过20目筛，然后置于干燥皿中待用。

(2)称8个样，每个样约5 g，并将空坩埚在800℃下加热到恒重方可使用。

(3)置于加热至恒定温度的马伏炉中，每隔一定时间取出一样，冷却至室温称重，测定失重率。

3 结果与讨论

3 1 塑料的DSC研究

31 1 只含碳氢的塑料的热解DSC研究

将材料按241加工，制成样品，用分析天平称重，放入标准铝坩埚内，再将此坩埚放入D SC25中，调节室温为起始温度，设终温为600℃(注：把终温定于600℃是因为在实验中使用的是标准铝坩埚，而铝的熔点在660℃左右，若把终温定于600℃之后会导致实验结果的不准确)进行测定，其结果如图1、图2。

图1 聚乙烯DSC图谱

图2 聚丙烯DSC图谱

从图1中可以看出，曲线在131℃有一个吸热峰，峰值为-22.7 mW，该吸热峰是聚乙烯的熔点，从216℃开始剧烈放热，这说明聚乙烯开始分解出乙烯气体，在320℃～561℃之间为一个较大的放热峰，该峰峰值为41 mW，这是由于乙烯气体与氧气反应形成气相燃烧放热所致。561℃以后，燃烧完毕，停止放热，曲线重回到基线位置。对聚乙烯热解曲线进行积分计算后得知它的总吸热量为1497 MJ(182.6 J/g)，总放热量为45157 MJ(5506.9 J/g) 。

从图2可知，在163℃有一个吸热峰，峰值为-6.5 mW，163℃为聚丙烯的熔点，所以该吸热峰为聚丙烯熔解产生。从180℃聚丙烯开始放热，这是聚丙烯开始分解为丙烯、丙烷等物质，当分解到420℃时，分解物与氧气燃烧放热，这时曲线上出现一个放热峰，峰值为30 mW。

两图比较可发现，聚乙烯和聚丙烯热分解曲线较为相似，但聚丙烯熔点比聚乙烯高，聚丙烯分解温度低于聚乙烯，这是由它们的分子结构所决定的。

31 2 含氮塑料的DSC研究

按311制作试样，进行DSC测定，结果如图3、图4、图5。

由图3可知，该曲线在130℃～341℃之间有两个吸热峰，第一

个吸热峰峰值温度为164.3℃，此温度为聚甲醛的熔点，故此吸热峰为聚甲醛熔解产生。第二个吸热峰峰值温度为293℃，峰值为-34.2 mW，这是聚甲醛受热分解产生甲醛气体所引起。

图4为尼龙热解曲线，该曲线共有两个吸热峰，第一个吸热峰峰值温度为220℃，该温度为尼龙的熔点，故此吸热峰为熔解所致，第二个吸热峰峰值温度为435℃，峰值为-10.7 mW，这是因为尼龙受高温分解出己内二胺和CO，CO2。在500℃以后从曲线走势看，预计将出现一个放热峰，这是由于分解物与氧燃烧放出热量。

图5表明，该曲线在231℃～318℃之间和318℃～448℃之间出现两个放热峰，第一个放热峰是由于聚胺脂分解出的可燃气体遇高温热源形成气体燃烧放热。第二个放热峰是由于聚胺脂表面与氧气反应，形成固相燃烧放热所致。自448℃以后，燃烧完毕，停止放热，曲线重新回到基线位置。对聚胺脂热分解曲线进行积分计算后得知，它的总放热量为6368MJ(909.7J/g)。

图3 聚甲醛DSC图谱

图4 尼龙DSC图谱

图5 聚胺脂DSC图谱

将图3、图4、图5进行比较，发现聚甲醛与尼龙热分解特性较为相似，但聚甲醛较尼龙稳定些，这是聚甲醛高温分解产物难燃所决定。而聚胺脂泡沫由于外形构造较为疏松，故而在高温作用下聚胺脂泡沫可燃。

31 3 含氧塑料的DSC研究

按311制作试样进行DSC测试结果如图6，由图可知，该曲线在290℃出现一个吸热峰，该吸热峰峰值为-6.3 mW，此温度为