基于织物分子层面的电弧燃爆破坏机理

徐韵扬 ,刘婉婉 ,龙啸云 ,王敏君 ,李 莉

(1.杭州市质量技术监督检测院,浙江 杭州 310019;2.南通大学,江苏 南通 226019)

电弧是一种气体急剧放电现象,通常在1 s内能释放出巨大的能量,电弧燃爆对人体造成的危害是其他燃爆的3～4倍[1]。电弧事故难以预测,尤其是电力作业人员发生电弧事故的概率更大,为减少电弧事故造成的伤害,电弧防护产品成为关键[2-3]。目前国内防电弧面料开发尚处于起步阶段,原因在于对电弧破坏机理及防电弧机理缺乏深入研究,防电弧面料关键参数处于摸索阶段。有关防电弧面料防护性能的研究主要有:南通大学李侠等对电弧燃爆后织物外观和热重分析的研究[4]、朱雯等关于电弧伤害机理的研究[5]。从分子层面开展电弧破坏机理的研究,可以更加深入发现电弧破坏机理,进而为防电弧面料开发提供参考。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

芳纶1313织物;芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物;芳纶1414织物(陕西省纺织科学研究院)。

Thermo Fisher Nicolet iS 10傅里叶变换红外光谱仪(赛默飞世尔科技公司);Vario EL Cube Elemental Analysis元素分析仪(德国Elementar公司)。

1.2 电弧闪爆试验

电弧燃爆试验数据委托加拿大Kinectrics公司高电流实验室完成,试验参数见表1。

表1 电弧燃爆参数

2 结果与讨论

2.1 电弧燃爆前后红外光谱分析

将电弧燃爆前后的织物在400～4 000 cm-1的波数范围内以2 cm-1的分辨率扫描32次获得红外光谱曲线(见图1～3),并对差异进行解析,其中图1～3中a均为各织物燃爆前的原始光谱曲线。

图1 芳纶1313织物在不同电弧能量作用后的红外光谱

图1为电弧燃爆前后芳纶1313织物的红外光谱图。芳纶1313纤维的特征吸收峰主要有波数为3 310 cm-1的酰胺N—H 伸缩振动,1 646 cm-1的酰胺Ⅰ型双吸收峰(羰基C=O 伸缩振动),1 526 cm-1的酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ型双吸收峰(O=C—N、N—H 的变形耦合振动),1 400 cm-1的C—O 非对称伸缩振动吸收峰,1 239 cm-1的苯环C—H 剪式振动吸收峰,780 cm-1的3个相邻氢的面外弯曲振动吸收峰,以及680 cm-1的酰胺Ⅲ型(O=C—N 面内弯曲振动)。

对电弧作用后的光谱曲线b、c、d、e、f和a比较进行解析。随着电弧能量增加,3 310 cm-1的酰胺N—H 峰、1 646 cm-1的酰胺键Ⅰ型羰基C=O 双峰、1 526 cm-1的酰胺键Ⅱ型羰基C=O 双峰、1 400 cm-1的C—O 非对称伸缩振动吸收峰、1 239 cm-1的苯环C—H 剪式振动吸收峰、780 cm-1的3个相邻氢的面外弯曲振动吸收峰和680 cm-1的酰胺Ⅲ型吸收峰均出现逐渐减弱现象,由此表明芳纶1313大分子链上的酰胺基C=O、N—H 键和苯环的C—H 键发生断裂和分解,说明芳纶1313纤维在入射能量强度增加下发生热降解程度增加。

图2为电弧燃爆前后芳纶1313/阻燃黏胶织物红外光谱图。芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物的吸收峰主要有波数为3 298 cm-1的酰胺N—H 伸缩振动,1 646 cm-1的酰胺键Ⅰ型(羰基C=O 伸缩振动)、1 527 cm-1的酰胺键Ⅱ型(N—H 和C—N 振动耦合),1 239 cm-1的苯环C—N 伸缩振动峰以及997 cm-1和850 cm-1的苯环摇摆振动、变曲振动及对称伸缩振动峰。

图2 芳纶1313/阻燃黏胶织物燃弧前后的红外光谱

对电弧作用后的光谱曲线b、c、d、e、f和a比较进行解析。电弧燃爆后波数为997 cm-1的苯环上=C—H 剪式振动吸收峰逐渐减弱至消失,波数为3 298 cm-1的酰胺N—H 峰和1 646 cm-1的酰胺键Ⅰ型羰基C=O 峰强度逐渐减弱,1 239 cm-1的苯环C—N 伸缩振动峰和997 cm-1的苯环摇摆振动、变曲振动及对称伸缩振动峰未见明显减弱现象,说明芳纶1313/阻燃黏胶混纺聚合物在电弧闪爆下部分发生热降解。

图3为电弧燃爆前后芳纶1414织物的红外光谱图。芳纶1414纤维的特征吸收峰主要有波数为3 292 cm-1的酰胺N—H 伸缩振动、1 639 cm-1的酰胺Ⅰ型单吸收峰(羰基C=O 伸缩振动)、1 540 cm-1的酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ型双吸收峰(1540、1 508 cm-1)(O=C—N、N—H 的变形耦合振动),1 300 cm-1的酰胺Ⅲ型(O=C—N 变形耦合振动),820 cm-1的苯环C—H 变形振动(对位二取代)及650 cm-1的酰胺Ⅲ型(O=C—N 面内弯曲振动)。

图3 芳纶1414织物在不同电弧能量作用后的红外光谱

对电弧作用后的光谱曲线b、c、d、e、f和a比较进行解析。随着电弧能量的增加,波数为3 292 cm-1的酰胺N—H 峰、1 639 cm-1的酰胺键Ⅰ型羰基C=O峰和820 cm-1的苯环上C—H 变形振动吸收峰逐渐减弱,其他吸收峰未见明显破坏,说明芳纶1414聚合物在电弧闪爆下逐步发生热降解。

2.2 电弧闪爆对防电弧织物组成元素的影响

对电弧作用前后的试样中各元素含量进行分析,3种织物在不同入射能量电弧燃爆下各元素含量具体的变化情况见表2～4。

表2 芳纶1313织物燃弧前后的元素含量

从表2结果可知,未受电弧作用的芳纶1313织物C元素含量为66.03%;随着电弧能量的增加,C 元素含量微量增加,当电弧能量为13.4 cal/cm2时,C 元素含量最高为65.81%,这表明芳纶1313织物在能量为4.8 cal/cm2时已经炭化完全。所有样品的N、H 元素含量接近,这可能是因为芳纶1313织物在低入射能量值条件下已经受热分解达到了最大程度,随着入射能量的增加,N、H 含量不再变化。

通过对C/N 与C/H 原子比的计算和比较分析得出,随着电弧能量的增加,纤维的C/H 原子比和C/N原子比均无明显变化。

从表3可知,未受电弧作用的芳纶1313/阻燃黏胶织物C元素含量为52.36%;随着入射能量的增加,C元素含量逐渐增加,当电弧能量为11.9 cal/cm2时,C元素含量最高,质量分数为62.5%,这表明芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物在电弧的高热与高强冲击波下发生了炭化,且随着入射能量的增加,炭化程度加深。所有样品的H 元素含量接近,这可能是因为芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物在热降解过程中,大分子链上的酰胺基键发生大量断裂分解,只产生了少量的水。随着入射能量的增加,N 元素含量逐渐增加,这可能是因为材料受热分解时生成了大量多孔炭层,此层难燃隔氧,却吸附了空气中少量的N2。

表3 芳纶1313/阻燃黏胶织物燃弧前后的元素含量

对C/N 与C/H 原子比进行计算和比较分析。结果显示:随着电弧能量的增加,纤维的C/H 原子比逐渐增加,C/N 原子比逐渐降低,这表明芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物主要发生了炭化。

表4显示,未受电弧作用的芳纶1414织物C元素含量为66.29%;随着电弧能量的增加,C 元素含量逐渐增加,当电弧能量为30.9 cal/cm2时,C 元素含量最高,达到70.21%。所有样品的N、H 元素含量接近,表明芳纶1414织物在热降解过程中主要发生了炭化脆化。

表4 芳纶1414织物燃弧前后的元素含量

通过对C/N 与C/H 原子比进行计算和比较分析得出,随着电弧能量的增加,纤维的C/H 原子比和C/N 原子比均逐渐增加。

3 结论

(1)织物在不同入射能量的电弧作用下均发生热降解,但热降解的化学键不同,程度不同。电弧燃爆对织物分子的破坏从高吸收波长往低吸收波段逐渐进行热降解,分子中酰胺键Ⅰ型羰基C=O 峰、酰胺键Ⅱ型N—H 峰和苯环C—H 剪式振动吸收峰等首先被破坏。

(2)织物在不同入射能量的电弧作用下均发生炭化,随着入射能量的增加,织物中C 元素含量均增加,但增加量不同,主要是因为不同成分织物的分子结构不同,受热炭化呈现形式不同。